ERCİYES ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
İMALAT YÖNTEMLERİ Prof. Dr. Mehmet Baki KARAMIŞ
Mart 2005 KAYSERİ
Sunuş İnsanoğlu yaratılışından bu yana hayatını kolaylaştırmak için taş, metal, ahşap gibi çok çeşitli malzemelere şekiller vererek alet, ekipman ve makinalar yapmıştır. Malzemelerin özelliğine göre şekillendirme yöntemi uygulanmış yani; taş yontulmuş, demir dövülmüş yada dökülmüş ve ahşap yontularak şekillendirilmiştir. Teknolojinin gelişmesi ve gerekleri yeni malzemelerin geliştirilmesini zorlamış ve bu malzemelerin kullanılabilir bir şekle sokulması için daha modern ancak temelde dökme, birleştirme, talaş kaldırarak işleme ve dövme, eğme, bükme, çekme gibi plastik şekillendirme metotları geliştirilmiş ve uygulanmıştır. Mühendislik malzemeleri olarak adlandırılan metal veya metal dışı tüm malzemeler döküm, kaynak, talaşlı veya plastik şekillendirme yöntemlerinden biri veya birkaçının birden uygulanması ile mühendislik ürünleri haline dönüşürler veya bu ürünlerin bir araya getirilmesiyle bir sistemin yapımında yer alırlar. Döküm, şekillendirmede ilk işlem olarak ortaya çıkar. Yani bir malzeme temelde ergitme ve tekrar katılaştırma işlemlerinden mutlaka geçmiştir. Bu bakımdan temel bir işlem olan döküm çok değişik metotlarla pek çok malzemenin şekillendirilmesinde kullanılan bir imalat yöntemidir. Dökülmüş bir malzeme, doğrudan kullanılabileceği gibi (mamul) üzerinden çeşitli takımlarla talaş kaldırılmak suretiyle veya dövülerek yada bir başka parçayla kaynatılarak istenilen şekle getirilebilir. Bu durumda dökülmüş malzeme yarı mamul haldedir. Kaynak işlemi, aynı cinsten iki veya daha fazla malzemeyi ergitmek veya ergitme olmaksızın basınç ve ısı yardımıyla, atomsal mertebede birleştirme işlemi şeklinde bir imal usulüdür. Yani, bir bakıma ergitme kaynağı bölgesel dökümdür. Talaşlı imalat yarı mamul bir malzeme üzerinden talaş kaldırmak suretiyle gerçekleştirilen bir başka imalat yöntemidir. Bu kitabın konusu dışında düşünülmüştür.
Plastik şekillendirme ise yine yarı mamul malzemelerin plastiklik özelliklerinden yararlanarak uygulanan kuvvetler etkisiyle belirli ve istenilen şekle getirmeye yarayan bir imalat yöntemidir. Bu temel imal usulleri kendi içlerinde çok çeşitli ve değişik metotları barındırırlar. Bir malzemenin istenilen şekle sokulması için hangi imal usullerinin seçileceği o malzemenin mekanik, fiziksel kimyasal özelliklerine ve metalürjik davranışına bağlı olduğu kadar şekillendirme sonrası kazanılması istenen özelliklerle de yakından ilgilidir. Birkaç yöntemle imalatı mümkün olan bir parça için uygun yöntemi seçmede ekonomiklik, kalite ve o parçanın çalışma şartları en etkili faktörlerdir. Bu seçimi isabetli bir şekilde yapmak ise tüm imalat yöntemlerini ve uygulanışını bütünüyle bilmekten geçer. Yani dizayn mühendisinden kullanıcıya kadar ara kademede bulunan tüm mühendislerin temel ve özel imalat yöntemlerini ve mamule etkilerini bilmesi kaliteli, ekonomik ve iyi pazarlanabilir bir imalat için şart görülmelidir. Mühendislik fakültelerinin ilgili bölüm öğrencilerine, uygulamada çalışan mühendis ve imalat yapanlara yönelik hazırlanan bu kitap, tüm temel imalat yöntemleri ile bunların değişik metotlarını fazla detaya inmeden sunmayı amaçlamaktadır. Döküm, kaynak ve plastik şekillendirme yöntemleri adı altında üç temel bölümden oluşan kitapta, bu yöntemlerin özel uygulamaları da verilmiştir. İlgili öğrenci ve mühendislerin kolayca anlayabileceği ve hatta uygulayabileceği sadelikte hazırlanmaya çalışılan bu eserin beklenen faydayı sağlayacağı umuduyla yapıcı tenkit ve uyarılarınızı bekler; eserin hazırlanmasında yardımcı olan Araştırma görevlileri Kemal YILDIZLI ve Fehmi NAİR’e teşekkürler eder, sabır ve anlayışlarından ötürü aileme de şükranlarımı sunarım. Mart 2005
Prof. Dr. M. Baki KARAMIŞ Erciyes Üniversitesi, Mühendislik Fak. Makina Müh. Bölümü, 38039 Kayseri
İÇİNDEKİLER BÖLÜM-I DÖKÜM TEKNİĞİ Sayfa 1.Giriş ……………………………...………………………………………………… 2.Döküm İşleminde Göz Önünde Bulundurulması Gereken Faktörler……………….. 3.Metallerin Katılaşması …………………………………………………………….. 3.1. Saf Metaller……………………………………………………………………… 3.2. Alaşımlar ………………………………………………………………………... 3.3. Katılaşma Zamanı ………………………………………………………………. 3.4. Katılaşmayı Yönlendirme……………………………………………………….. 4. Döküm Prosesleri ………………………………………………………………. 4.1. Sürekli Döküm………………………………………………………………….. 4.2. Kum Kalıba Döküm…………………………………………………………….. 4.2.1. Kalıp Kumları ve Kontrolü …………………………………………………… 4.2.2. Modeller………………………………………………………………………. 4.2.2.1. Model Malzemeleri ……………………………………………………… … 4.2.2.2. Model Payları……………………………………………………………..… 4.2.2.3. Model Çeşitleri ……………………………………………………………... 4.2.2.4. Modellerin Renklerle Kodlanması …………………………………………. 4.2.3. Kum Kalıbın Hazırlanması …………………………………………………… 4.2.3.1. El ile Kalıplama …………………………………………………………….. 4.2.3.2. Makine ile Kalıplama……………………………………………………….. 4.2.4. Maçalar ve Maça Yapımı …………………………………………………….. 4.2.5. Sıvı Metalin Kalıp Boşluğuna Girişinin Kontrolü ve Yolluk Sistemleri……. 4.2.5.1. Yolluk Sistemleri……………………………………………………………. 4.2.5.1.1. Yolluk Sistemi Oranları …………………………………………………... 4.2.5.1.2. Basınçlı ve Basınçsız Yolluklar…………………………………………… 4.2.5.1.3. Bernoulli Teoremi……………………………………………………… … 4.2.5.1.4. Yolluktan Akan Metal Miktarı……………………………………………. 4.2.5.1.5. Isı Akışı …………………………………………………………………… 4.2.5.2. Çıkıcılar …………………………………………………………………….. 4.2.5.3. Sıvı Metalin Akıcılığı…………………………………………….................. 5.Kabuk Kalıba Döküm……………………………………………………………... 6.Dolu Kalıp Prosesi………………………………………………………………… 7.Sürekli Kalıba Döküm Yöntemleri………………………………………………... 7.1. Demirdışı Malzemelerin Sürekli Kalıba Dökümü ……………………………… 8.Basınçlı Döküm……………………………………………………………………. 8.1. Metal Kalıba Döküm……………………………………………………………. 9.Savurma Döküm…………………………………………………………………… 10. Tazyikli Döküm …………………………………………………………………
1 2 3 3 6 9 11 14 16 17 17 22 23 24 27 32 33 33 37 40 45 46 53 55 56 57 58 58 61 62 64 65 65 67 67 74 76
Sayfa 11. Alçı Kalıba Döküm……...................................................................................... 12. Seramik Kalıba Döküm………………………………………………………... 13. Mum Modelli Döküm………………………………………………………….. 14. Özel Döküm Prosesleri ……………………………………………………….. 14.1. Vakumla Kalıplama …………………………………………………………. 14.2. Buzlu Kalıp Yöntemi ………………………………………………………... 14.3. Bozulan Grafit Kalıp Yöntemi ……………………………………………… 14.4. Sünger Kalıp Yöntemi………………………………………………………. 14.5. Elektromagnetik Döküm Yöntemi…………………………………………... 15. Ergitme ve Dökme…………………………………………………………….. 15.1.Ergitme ………………………………………………………………………. 15.2. Kupol Ocakları………………………………………………………………. 15.2.1.Kupol İçin Harman Hazırlamak……………………………………………. 15.3. İndirekt Yakıt Alevli Fırınlar……………………………………………….. . 15.4. Havalı veya Direkt Yakıt Alevli Fırınlar……………………………………. 15.5. Ark Fırınları…………………………………………………………………. 15.6. İndüksiyon Fırınları…...................................................................................... 15.7. Döküm Pratiği……………………………………………………………….. 15.8. Vakumda Ergitme ve Dökme ……………………………………………….. 16. Döküm Parçaların Temizlenmesi ve Isıl İşlemleri ……………………………. 16.1. Dökümlerin Temizlenmesi…………………………………………………. . 16.2. Dökümlerin Isıl İşlemleri……………………………………………………. 17. Döküm Parçaların Dizaynında Dikkate Alınacak Hususlar…………………… 18. İngotların Dökümü…………………………………………………………….. 18.1. Doymuş Çelik………………………………………………………………... 18.2. Yarı Doymuş Çelik…………………………………………………………. . 18.3. Yüzeyde Gaz Deliği İhtiva Eden Çelik…………………………………….... 18.4. Özellikler…………………………………………………………………...... 19. Kristal Büyütme: Yönlü Katılaştırma ve Tek Kristal………………………...... 20. Döküm Alaşımları……………………………………………………………… 20.1. Demirdışı Döküm Alaşımları………………………………………………… 20.1.1. Alüminyum Esaslı Alaşımlar………………………………………………. 20.1.2. Magnezyum Esaslı Alaşımlar ……………………………………………... 20.1.3. Bakır Esaslı Alaşımlar……………………………………………………... 20.1.4. Çinko Esaslı Alaşımlar…………………………………………………...... 20.1.5. Nikel ve Kobalt Esaslı Alaşımlar………………………………………….. 20.2.Çelikler……………………………………………………………………….. 20.3. Dökme Demirler…………………………………………………………….. 20.3.1. Kır Dökme Demir…………………………………………………………. 20.3.2. Beyaz Dökme Demir ……………………………………………………… 20.3.3. Temper Dökme Demir …………………………………………………… . 20.3.4. Küresel Grafitli Dökme Demir …………………………………………… 20.3.5. Kompakt Dökme Demir……………………………………………………
77 78 78 84 84 85 85 85 85 86 87 90 90 92 93 93 94 95 96 97 97 98 98 112 113 114 114 114 115 116 119 119 119 119 120 120 120 120 121 122 122 122 122
BÖLÜM-II KAYNAK TEKNİĞİ Sayfa 1. Bağlama ve Birleştirme İşlemleri………………………………………………... 1.1.Giriş…………………………………………………………………………….. 2.Mekanik Birleştirme Metotları……………………………………………………. 2.1. Perçinleme…………………………………………………………………….... 2.2 Delik Hazırlama……………………………………………………………….... 2.3. Diğer Mekanik Birleştirme İşlemleri…………………………………………... 2.4. Bağlayıcılardaki Problemler………………………………………………….... 3.Kaynak İşlemleri………………………………………………………………….. 3.l.Giriş……………………………………………………………………………… 3.2. Kaynak İşlemlerinin Sınıflandırılması…………………………………………. 3.3. Katı Fazda Birleştirme…………………………………………………………. 3.3.1. Soğuk Kaynak………………………………………………………………… 3.3.2. Patlamalı Kaynak……………………………………………………………... 3.3.3. Ultrasonik Kaynak…………………………………………………………..... 3.3.4. Dövme Kaynağı………………………………………………………………. 3.3.4.1.Dövme Dikiş Kaynağı…………………………………………………….... 3.3.5. Difüzyon Kaynağı……………………………………………………………. 3.3.6. Sürtünme Kaynağı……………………………………………………………. 3.4. Sıvı Fazda Kaynak İşlemleri……………………………………………………. 3.4.1. Kimyasal Enerji Kullanan Kaynak İşlemleri…………………………………. 3.4.l.l.Gaz Kaynağı………………………………………………………………….. 3.4.1.1.1. Kullanımı, Avantaj ve Dezavantajları……………………………………. 3.4.1.1.2.Gaz Ergitme Kaynağında İşlem Karakteristikleri………………………… 3.4.1.1.3. Basınçlı Gaz Kaynağı…………………………………………………….. 3.4.1.2. Termit Kaynağı…………………………………………………………….. 3.4.2. Elektrik Enerjisi Kullanan Kaynak Prosesleri………………………………... 3.4.2.1. Ark Kaynağı………………………………………………………………… 3.4.2.1.1. Örtülü Elektrotla Ark Kaynağı…………………………………………… 3.4.2.1.2. Tozaltı Ark Kaynağı……………………………………………………… 3.4.2.1.3. Gazaltı Ark Kaynağı……………………………………………………… 3.4.2.1.4. Özlü Elektrotla Ark Kaynağı……………………………………………... 3.4.2.1.5. Elektrocüruf Kaynağı…………………………………………………….. 3.4.2.1.6. Ergimeyen Elektrotlarla Ark Kaynağı……………………………………. 3.4.2.1.6.1. Gaz-Tungsten Ark Kaynağı (TIG)……………………………………... 3.4.2.1.6.2. Gaz-Tungsten Nokta Kaynağı………………………………………….. 3.4.2.1.6.3. Plazma Ark Kaynağı………………………………………………….... 3.4.2.1.6.4. Ark Alın Kaynağı………………………………………………………. 3.4.2.1.6.5. Şok Kaynağı…………………………………………………………….
125 125 125 126 126 128 129 130 130 131 132 134 135 136 138 139 139 140 143 143 143 146 147 149 149 150 151 155 162 165 167 167 170 170 172 173 174 175
Sayfa 3.4.2.1.6.6. Pim ve Saplama Kaynağı………………………………………………… 3.4.2.1.7. Ark Kaynağının Avantaj ve Dezavantajları………………………………... 3.4.2.1.8. Ark Kaynağı için Güç Kaynakları…………………………………………. 3.4.2.1.9. Ergitme Kaynağı Çeşitleri………………………………………………..... 3.4.2.2. Elektrik Direnç Kaynağı……………………………………………………... 3.4.2.2.1. Direnç Kaynağı Teorisi…………………………………………………...... 3.4.2.2.2. Isıtma……………………………………………………………………….. 3.4.2.2.3. Basınç………………………………………………………………………. 3.4.2.2.4. Akım Kontrolü……………………………………………………………... 3.4.2.2.5. Güç Kaynakları…………………………………………………………….. 3.4.2.2.6. Direnç Kaynağı İşlemleri…………………………………………………… 3.4.2.2.6.1. Nokta Kaynağı……………………………………………………………. 3.4.2.2.6.1.1. Profil Nokta Kaynağı…………………………………………………… 3.4.2.2.6.1.2. Nokta Kaynak Makinaları………………………………………………. 3.4.2.2.6.1.3. Nokta Kaynağı Yapılabilir Metaller……………………………………. 3.4.2.2.6.2. Direnç Dikiş Kaynağı…………………………………………………….. 3.4.2.2.7. Direnç Kaynağının Avantaj ve Dezavantajları……………………………... 3.4.3. Optik Enerji Kullanan Kaynak Metotları………………………………………. 3.4.3.1. Elektron Işın Kaynağı………………………………………………………… 3.4.3.2. Lazer Işın Kaynağı……………………………………………………………. 4.Sıvı ve Katı Fazda Birleştirme………………………………………………………. 4.1.Giriş……………………………………………………………………………….. 4.2. Sert Lehimleme…………………………………………………………………… 4.2.1. Lehim Malzemeleri……………………………………………………………... 4.2.1.2. Tozlar…………………………………………………………………………. 4.2.1.3. Sert Lehimlemenin Uygulanması……………………………………………... 4.2.1.4. Lehimlemede Kullanılan Isıtma Metotları……………………………………. 4.2.1.5. Toz Giderme…………………………………………………………………... 4.2.1.6. Tozsuz Lehimleme……………………………………………………………. 4.2.1.7. Lehimlenecek Birleştirmelerin Dizaynı………………………………………. 4.2.1.8. Lehim Kaynağı………………………………………………………………... 4.2.1.9. Lehimlenmiş Bağlantıların Tabiatı ve Mukavemeti…………………………... 4.3. Yumuşak Lehimleme……………………………………………………………… 4.3.1. Lehim Metalleri…………………………………………………………………. 4.3.2. Lehimleme Tozları……………………………………………………………… 4.3.3. Lehimleme için Isıtma………………………………………………………….. 4.3.4. Lehimlenecek Bağlantıların Dizaynı ve Mukavemeti………………………….. 4.3.5. Toz Giderme……………………………………………………………………. 5.Yüzey Kaplama İşlemleri…………………………………………………………… 5.1. Giriş……………………………………………………………………………….. 5.2. Kaplama Malzemeleri…………………………………………………………….. 5.3. Yüzey Kaplama Metotları ve Uygulanması………………………………………. 5.3.1. Metal Püskürtme………………………………………………………………… 5.3.1.1.Yüzey Hazırlama………………………………………………………………
175 176 177 178 180 180 180 182 183 183 184 184 184 186 187 187 190 190 190 192 194 194 194 196 199 200 201 203 203 204 205 205 206 206 206 207 208 208 208 208 208 208 209 210
Sayfa 5.3.1.2. Püskürtülen Metallerin Özellikleri……………………………………………. 5.3.1.3. Metal Püskürtme Uygulamaları………………………………………………. 6. Alevle Düzeltme……………………………………………………………………. 7. Plastiklerin Kaynağı………………………………………………………………… 8. Metal Kesme Yöntemleri…………………………………………………………… 8.1. Torc ve Arkla Kesme…………………………………………………………….. 8.1.1. Oksijen Torcuyla Kesme……………………………………………………….. 8.1.2. Arkla Kesme……………………………………………………………………. 8. Karbon Ark ve Korumalı Metal Arkı ile Kesme……………………………………. 8.1.2.2. Oksijen ile Kesme………………………………………………………...….. 8.1.2.3. Hava ve Karbon Arkı ile Kesme……………………………………………... 8.1.2.4. Gaz-Metal Arkı ile Kesme…………………………………………………… 8.1.2.5. Gaz-Tungsten Arkı ile Kesme………………………………………………... 8.1.2.6. Plazma Arkı ile Kesme……………………………………………………...... 8.1.3. Lazer Işını ile Kesme…………………………………………………………… 8.2. Metalürjik ve Isı Açısından Dikkate Alınacak Hususlar…………………………. 9. Kaynak ve Kesmede Potansiyel Problemler……………………………………... 9.1. Giriş………………………………………………………………………………. 9.2. Dizaynda Dikkate Alınacak Hususlar……………………………………............. 10. Kaynak Metalürjisi………………………………………………………………... 10.1. Isının Tesiri Altında Kalan Bölge………………………………………………. 10.2. Termal Gerilmeler………………………………………………………………. 10.2.1. Termal Gerilmelerin Etkileri………………………………………………….. 10.2.2. Gerilme Giderme…………………………………………………………….... 10.2.3. Kaynak Hataları………………………………………………………………. 11. Kaynak Kabiliyeti……………………………………………………………….... 11.1. Ergitme Kaynağında Kaynak Kabiliyeti………………………………………... 11.2. Elektrik Direnç Kaynağında Kaynak Kabiliyeti………………………………... 12.Yapıştırma…………………………………………………………………………. 12.1.Giriş……………………………………………………………………………… 12.2. Yapıştırma Malzemeleri ve Özellikleri………………………………………..... 12.3. Birleşme Dizaynı ve Hazırlama……………………………………………….... 12.4. Yapıştırmanın Avantaj ve Dezavantajları……………………………………….
211 211 212 212 213 213 214 216 216 216 216 217 217 217 218 219 220 220 220 221 224 226 228 229 230 234 234 237 243 243 243 244 245
BÖLÜM-III PLASTİK ŞEKİLLENDİRME Sayfa 1.Giriş………………………………………………………………………………… 2.Metal Şekillendirmeye Etki Eden Faktörler………………………………………... 2.1. Bağımsız Değişkenler……………………………………………………………. 2.2. Bağıl Değişkenler………………………………………………………………… 2.3. Metal Şekillendirmede Zorluklar………………………………………………… 2.4. Genel Parametreler……………………………………………………………….. 2.5. Metal Şekillendirme Sırasında Sürtünme ve Yağlama…………………………… 2.6. Sıcaklık Faktörü………………………………………………………………….. 3. Sıcak Şekillendirme……………………………………………………………… 3.1. Sıcak Şekillendirmenin Tanımı………………………………………………….. 3.2. Sıcak Şekillendirme Sırasında Tane Değişimi…………………………………... 3.3. Sıcaklık Değişimi………………………………………………………………... 4. Soğuk Şekillendirme…………………………………………………………….. 4.1. Soğuk Şekillendirme ve Metal Özellikleri Arasındaki İlişkiler…………………. 4.2. Soğuk Şekillendirme İçin Metallerin Hazırlanması……………………………... 5.Yarı Sıcak Şekillendirme…………………………………………………………… 6.Metal Şekillendirme İşlemleri……………………………………………………… 6.1. Dövme………………………………………………………………………........ 6.1.1. Serbest Dövme ve Basma İşlemleri……………………………………………. 6.1.1.1. Açık Kalıpta Dövme…………………………………………………………. 6.1.1.2. Serbest Dövmede Şekil Değişimi……………………………………………. 6.1.1.3.Yığma…………………………………………………………………………... 6.1.1.3.1.Kuvvetler ve Deformasyon İşi……………………………………………… 6.1.1.3.2.Tek Eksenli Şekil Değiştirme Halinde Dikdörtgen Kesitli İş Parç. Şişirilmesi 6.1.1.3.3.Katı Silindirin Yığılması……………………………………………………. 6.1.1.4. Yapışma……………………………………………………………………….. 6.1.2. Kalıpta Dövme-Basma………………………………………………………….. 6.1.2.1. Kapalı Kalıpta Dövme……………………………………………………….... 6.1.2.2. Kuvvetler……………………………………………………………………… 6.1.2.3. Hassas Dövme………………………………………………………………… 6.1.2.4. Kabartma……………………………………………………………………… 6.1.2.5. Preste Dövme…………………………………………………………………. 6.1.3.Şişirme…………………………………………………………………………… 6.1.4.Otomatik Sıcak Dövme……………………………………………………......... 6.1.5.Çeşitli Sıcak Dövme Operasyonları…………………………………………….. 6.1.5.1.Baş Yapma……………………………………………………………………. 6.1.6. Kesme…………………………………………………………………………... 6.1.7. Delme ve Boşaltma……………………………………………………………...
248 249 249 251 251 253 254 256 256 256 257 258 258 260 261 261 262 262 264 264 264 267 267 269 270 270 274 274 277 279 280 280 281 283 283 285 287 289
Sayfa 6.1.7.1. Delme ve Boşaltma Kalıpları………………………………………………… 6.1.8. Oyma…………………………………………………………………………… 6.1.9. Delme ve Boşaltma İçin Uygun Dizayn………………………………………... 6.1.10. Çentme………………………………………………………………………… 6.1.11. Kenetleme……………………………………………………………………... 6.1.12. Merdane ile Dövme…………………………………………………………… 6.1.13. Eğik Haddeleme………………………………………………………………. 6.1.14. Sabit Sıcaklıkta Dövme……………………………………………………….. 6.1.15. Eğik Eksenli Dövme………………………………………………………….. 6.1.16. Daraltma………………………………………………………………………. 6.1.17. Dövme Kalıpları………………………………………………………………. 6.1.17.1. Kalıp Dizaynı……………………………………………………………….. 6.1.17.2. Kalıp Malzemeleri…………………………………………………………... 6.1.17.3. Yağlama…………………………………………………………………….. 6.1.18. Dövülebilirlik…………………………………………………………………. 6.1.18.1. Çeşitli Metallerin Dövülebilirliği………………………………………….... 6.1.18.2. Dövme Sıcaklığı…………………………………………………………….. 6.1.18.3. Hidrostatik Basıncın Dövülebilirliğe Etkisi………………………………… 6.1.19. Dövme Hataları……………………………………………………………….. 6.1.20. Dövme Ekipmanları…………………………………………………………... 6.1.20.1. Mekanik Presler…………………………………………………………….. 6.1.20.2. Hidrolik Presler……………………………………………………………... 6.1.20.3. Pedallı Presler………………………………………………………………. 6.1.20.4. Pres Gövde Tipleri………………………………………………………….. 6.1.20.5. Özel Presler…………………………………………………………………. 6.1.20.6. Prese Malzeme Verme……………………………………………………… 7. Haddeleme…………………………………………………………………………. 7.1. Soğuk Haddeleme………………………………………………………………... 7.1.1.Yığma, Konikleştirme ve Fatura Yapma……………………………………….. 7.2. Düz Haddeleme………………………………………………………………….. 7.3. Kuvvetler ve Gerilme……………………………………………………………. 7.4. Moment ve Güç İhtiyacı…………………………………………………………. 7.5. Sıcak Haddeleme………………………………………………………………… 7.5.1. Haddeleme Tesisatları…………………………………………………………. 7.5.1.1. Sıcak Haddeleme Kuvvetleri………………………………………………… 7.6. Sürtünme………………………………………………………………………… 7.7. Ön ve Arka Germe………………………………………………………………. 7.8. Merdane Eğilmesi………………………………………………………………... 7.9. Düz Hadde Pratiği……………………………………………………………….. 7.10. Haddelenmiş Mamüllerde Hatalar……………………………………………… 7.11. Sıcak Haddelenmiş Mamüllerin Kalitesi ve Özellikleri………………………... 7.12. İç Gerilmeler……………………………………………………………………. 7.13. Merdaneyle Düzeltme…………………………………………………………...
290 293 293 294 295 295 296 297 297 298 299 299 303 321 324 325 326 326 326 328 329 330 331 332 332 333 334 335 335 336 337 339 341 341 343 344 344 345 346 347 348 348 350
Sayfa 7.14. Çeşitli Haddeleme prosesleri………………………………………….............. 7.14.1. Kontrollü Haddeleme……………………………………………………….. 7.14.2. Profil Haddeleme……………………………………………………………. 7.14.3. Halka Haddeleme……………………………………………………………. 7.14.4. Vida ve Dişli Haddeleme……………………………………………………. 7.14.5. Dönel Boru Delme…………………………………………………………... 8. Ekstrüzyon………………………………………………………………………... 8.1. Ekstrüzyonda Metal Akışı………………………………………………………. 8.2. Kuvvetler……………………………………………………………………….. 8.3. İdeal Deformasyon ve Sürtünme……………………………………………….. 8.4. Gerçek Kuvvetler………………………………………………………………. 8.5. Optimum Kalıp Açısı…………………………………………………………... 8.6. Sıcak Ekstrüzyonda Kuvvetler…………………………………………………. 8.7. Ekstrüzyon Pratiği…………………………………………………………….... 8.8. İçi Boş Parçaların Ekstrüzyonu………………………………………………… 8.9. Sıcak Ekstrüzyon………………………………………………………………. 8.9.1. Merdaneli Ekstrüzyon………………………………………………………... 8.10. Yağlama………………………………………………………………………. 8.11.Kalıplar………………………………………………………………………… 8.12. Soğuk Ekstrüzyon…………………………………………………………….. 8.13. Fışkırtma Ekstrüzyon………………………………………………………… 8.14. Hidrostatik Ekstrüzyon……………………………………………………….. 8.15. Ekstrüzyon Hataları…………………………………………………………... 8.15.1. Yüzey Çatlakları……………………………………………………………. 8.15.2. Yüzey Hatası………………………………………………………………... 8.15.3. İç Çatlaklar………………………………………………………………….. 8.16. Ekstrüzyon Ekipmanları………………………………………………………. 9. Sac ve Plakaların Derin Çekilmesi……………………………………………….. 9.1. Sıcak ve Soğuk Sıvama………………………………………………………… 9.1.1. İncelterek Sıvama…………………………………………………………….. 9.1.2. Germe………………………………………………………………………… 9.1.3. Kabartma……………………………………………………………………... 9.2. Dikişli Borular………………………………………………………………….. 9.2.1. Alın Kaynaklı Borular………………………………………………………... 9.2.2. Bindirme Kaynaklı Borular…………………………………………………... 9.3. Delme…………………………………………………………………………… 9.4. Sac Şekillendirmede Dizayn Hataları…………………………………………... 10. Çubuk ve Tel Çekme………………………………………………………….… 10.1. Yuvarlak Kesitlerin Çekilmesi………………………………………………… 10.1.1. Çekme Kuvvetleri ve Gerilmeler…………………………………………..... 10.1.2. İdeal Deformasyon…………………………………………………………... 10.1.3. İdeal Deformasyon ve Sürtünme……………………………………………. 10.1.4. Deformasyon Fazla İşi………………………………………………………. 10.1.5. Kalıp Basıncı………………………………………………………………… 10.1.6. Yüksek Sıcaklıklarda Çekme………………………………………………... 10.1.7. Optimum Kalıp Açısı………………………………………………………...
351 351 351 352 353 355 356 358 359 360 362 362 364 366 367 368 368 369 369 371 372 373 374 374 374 375 376 377 380 381 382 383 383 383 384 384 385 385 386 386 386 387 388 388 390 390
Sayfa 10.1.8. Bir Geçişte(Pasoda) Maksimum Kesit Azalması…………………………… 10.2. Düz Şeritlerin Çekilmesi…………………………………………………….... 10.3. Boruların Çekilmesi…………………………………………………………… 10.4. Çekme Pratiği…………………………………………………………………... 10.5. Kalıp Dizaynı ve Malzemeler………………………………………………….. 10.5.1. Ekipman……………………………………………………………………… 10.6. Kalıplar………………………………………………………………………… 10.7. Yağlama………………………………………………………………………... 10.8. Hatalar ve İç Gerilmeler……………………………………………………….. 11. Soğuk Şekillendirme ile Yüzey İyileştirme………………………………………. 12. Eğme……………………………………………………………………………… 12.1. Eğme Açısı……………………………………………………………………... 12.2 Eğme İçin Dizayn………………………………………………………………... 12.3. Merdane ile Eğme………………………………………………………………. 12.4. Çekme ve Basma ile Eğme……………………………………………………... 13. Metal İşlemede Takım ve Kalıp Hataları………………………………………….
391 393 393 394 395 395 396 397 397 398 399 399 400 401 401 402
KAYNAKLAR………………………………………………………………………..
404
BÖLÜM I
DÖKÜM TEKNİĞİ
1 1.GİRİŞ Malzemeleri çeşitli yollarla işleyerek, kullanım amacına uygun yapı ve özelliğe sahip son şekline dönüştürmek için uygulanan bilim ve teknolojiye şekillendirme prosesi denir. Daha basit olarak proses maddeyi eşyaya dönüştürme işlemidir. İstenen şeklin oluşturulması prosesin ana gayesidir. Tarihi M.Ö. 4000 yılına dayanan ve bu amacı gerçekleştirmek için uygulanan en tanınmış yöntem dökümdür. Bu bakımdan döküm tekniği süs eşyası ve fonksiyonel parçaların imalatında kullanılan en eski yöntemler arasında sayılır. Döküm işleminde, katı bir malzeme uygun bir sıcaklığa ısıtılarak ergitilir ve istenen kimyasal bileşimi elde etmek için çeşitli işlemlere tabi tutulur. Genellikle metal olan ergimiş bu malzeme daha sonra bir boşluğa dökülür. Dökülen metal bu boşluğun şeklini alarak katılaşır. Bu boşluk imal edilmek istenen parçanın şekline ve kaba ölçüsüne sahip bir boşluk olabilir. Kalıp denilen bu boşluğu, ergitilebilen herhangi bir metalle doldurup içinde katılaşmasını sağlayarak basit veya karmaşık şekiller imal edilebilir. Böylece arzu edilen çalışma şartlarına uygun, en iyi özellik ve görünümle her türlü parçalar elde edilebilir. Döküm işlemiyle parçaların iç ve dış şekillerini aynı anda elde etmek mümkündür. Diğer imalat yöntemleriyle yapılması çok zor ve pahalı olan çok büyük ve karmaşık parçalar uygun döküm teknikleri kullanılarak ekonomik şekilde üretilebilir. Hemen hemen bütün malzemeler istenen son şekil ve ölçüye uygun olarak dökülüp ilave işlemler ve malzeme kaybı azaltılabilmesi yanında proses metal parçaların imalatında önem arzeder. Bu bakımdan bu bölümde sadece metal malzemelerin dökümü incelenecektir. En çok dökülen metaller; demir, çelik, alüminyum, pirinç, bronz, mağnezyum ve bazı çinko alaşımlarıdır. Döküm parametrelerinin uygun bir şekilde kontrolü ile tamamen üniform özellikte parçalar elde edilebilir. Yukarıda sayılan malzemelerden demir, düşük büzülmesi, iyi akıcılığı, mukavemeti, rijitliği ve kolay kontrolü nedeniyle döküm için en uygun malzemedir. Dövme gibi diğer şekillendirme işlemleri ile mukayese edildiğinde, dökümün en büyük dezavantajı düşük süneklik ve mukavemetinin yanında dökülen malzemede boşluklar bulunma ihtimalidir. Dökümle imal edilen parçalar çok çeşitlilik arzeder. Bir fermuar dişi gibi boyutları birkaç milimetre ve birkaç gram ağırlıktaki parçalardan 10 metre veya daha fazla boyutlu ve 300 ton ağırlığa kadar çok büyük gemi pervanesi gibi parçalar rahatlıkla dökülebilir. Karmaşık şekilli, içi boş veya boşluklu kesite sahip parçalar, düzensiz eğri yüzeye sahip parçalar (ince sac metalden yapılanlar hariç), çok büyük ve işlenmesi zor olan metalden yapılacak parçaların belli avantajlar ve belli kolaylıklarla dökülmesi işlemin önemli
2 avantajlarındandır. Bu belli avantajlar nedeniyle döküm, imalat yöntemlerinin en önemlilerinden biridir. Dökümün Amerika Birleşik Devletlerinde 4500 şirket bazında en büyük altıncı endüstri olduğu bilinmektedir. Bugün mevcut döküm yöntemlerinin biri veya birkaçı vasıtasıyla hemen hemen herşeyi dökmek mümkündür. Makina gövde ve iskeletleri, yapı ve makina elemanları, motor blokları, krank milleri, pistonlar ve diğer bazı otomotiv elemanları, boru ve vanalar, demiryolu elemanları, heykel ve süs eşyası gibi cisimler dökümle üretilebilen parçalara tipik örnekler teşkil ederler. Yukarıda sayılan bu makina ve sistem elemanları gibi mühendislik parçalarının imal edilmesi için uygulanan döküm yöntemlerinin prensipleri sırası geldikçe açıklanacaktır. 2-DÖKÜMDE GÖZ ÖNÜNDE BULUNDURULMASI GEREKEN FAKTÖRLER Döküm yönteminin başarısı ve kaliteli parça üretmek için belli temel konuların iyi anlaşılması ve kontrolü gereklidir. Bunların en önemlisi metallerin katılaşma mekanizmasıdır. Diğer önemli aşamalar ise kalıp hazırlama, ergitme ve dökme, temizleme ve kalite kontrolüdür. Diğer imalat proseslerinde olduğu gibi dizayncı,döküm yöntemini iyi anlar ve dizayn edeceği parçaya en uygun yöntemi seçerse en iyi neticeyi elde ederek ekonomi sağlayabilir. Bütün döküm yöntemlerinde altı temel faktör mevcuttur. Bunlar aşağıdaki gibi sıralanabilir: 1 -Metal katılaşırken büzülmesine müsaade edecek, arzu edilen şekil ve boyuta sahip bir kalıp boşluğu
yapılmalıdır. Bitirilmiş parçada bulunması gereken her hangi bir detay kalıpta
mevcut olmalıdır. Yani kalıp iyi şekillendirilebilme özelliğine ve ergimiş metalden önemli derecede etkilenmeyecek şekilde refraktör özelliğe sahip olmalıdır. Ya her bir döküm için yeni bir kalıp hazırlanır veya “sürekli kalıp” olarak isimlendirilen ve çok sayıda döküm için kullanılmaya dayanıklı olan bir malzemeden kalıp yapılır. Hassas ve ekonomik parçalar üretebilmek için metal veya grafitten yapılan sürekli kalıplarla tek kullanımlı kalıpları yapmak için önemli gayret sarfetmek gerekmektedir. 2 -Dökülecek metali ergitmek için sadece uygun sıcaklık değil aynı zamanda kaliteli ve düşük maliyetli ergitme sağlayacak uygun bir vasıta mevcut olmalıdır. 3 -Ergimiş metal, kalıptaki sıcak metalin reaksiyonu ile meydana gelen veya dökümden önce kalıpta bulunan bütün hava veya gazları dışarı atacak ve kalıbı tamamen dolduracak şekilde
3 kalıba gönderilmelidir. Kaliteli bir döktüm hava boşlukları gibi hatalardan uzak ve tok olmalıdır. 4 -Metal katılaştıktan sonra soğuma ile meydana gelen büzülmeye kalıbın aşırı şekilde karşı koymaması için düzenlemeler yapılmalıdır. Aksi takdirde parçada çatlamalar meydana gelebilir. Ayrıca parçanın dizaynı sırasında katılaşma şartları ve kendini çekme (büzülme), çatlak, iç boşluk veya süreksizlik oluşma şartları dikkate alınmalıdır. 5 -Döküm parça kalıptan kolayca çıkarılabilmelidir. Her dökümden sonra bozulan kum kalıplarda bu konuda ciddi bir zorluk yoktur. Fakat sürekli kalıpların kullanıldığı belli proseslerde kalıptan çıkarma önemli problemlerdendir. 6 -Boşluğa, sıcak metali dökme nedeniyle parça kalıptan çıkarıldıktan sonra yüzeye yapışmış veya metal tarafından kalıptan koparılmış gereksiz malzemeleri temizlemek için yüzey temizleme işlemine ihtiyaç duyulabilir. Döküm endüstrisindeki gelişmelerin çoğu ekonomi ve bu altı konu üzerinde yoğunlaşmaktadır. 3 - METALLERİN KATILAŞMASI Sıvı metal bir kalıba boşaltıldığı ve soğumasına müsaade edildiğinde karmaşık birçok olaylar meydana gelir. Katılaşmayı etkileyen önemli faktörler; metalin çeşidi (saf veya alaşımlı olması),termal özellikleri (özgül ısı ve ısıl iletkenliği), sıvı metalin yüzey alanı ve hacmi arasındaki geometrik ilişki, kalıbın şekli ve malzemesi olarak sıralanabilir. 3.1- Saf Metaller Saf metaller net bir şekilde ergime veya katılaşma sıcaklıklarına sahip olduklarından katılaşma sabit bir sıcaklıkta meydana gelir (Şekil 1). Sıvı metalin sıcaklığı katılaşma noktasına düştüğü zaman gizli ısısı nedeniyle sabit kalır. Bu çevrimin sonunda katılaşma tamamlanır ve katılaşan metal soğumaya başlar.
4
Şekil 1 - Saf metallerin soğuma eğrisi
Kalıp - sıvı metal arayüzeyindeki tipik bir sıcaklık dağılımı Şekil 2’de gösterilmiştir. Isı, sıvı metalden
çevreye
kalıp
duvarını
kat
ederek
geçer.
Çevre-kalıp
ve
kalıp-metal
arayüzeylerindeki sıcaklık bir başka ara tabaka ve temas süreksizliği nedeniyle düşer. Eğrinin şekli kalıp malzemesinin termal özelliklerine bağlıdır. Saf bir dökme metalin tane yapısı Şekil 3 (a)’da görülmektedir. Kalıp duvarlarında soğuma nedeniyle ince ve eş eksenli tanelerden bir film meydana gelir. Soğuma devam ettiği için sütun şeklinde taneler oluşur (dentritler). Bu taneler kalıp cidarından başlayarak kütle merkezine doğru yönlenmiş olduklarından kolon şeklindedirler. Böylece gelişen tercihli yönlenmeleri ile farklı doğrultularda yönelmiş taneler birbirini bloke ederler (Şek.4). Meydana gelen tanelerin büyüklük ve dağılımı, yön ve ısı geçiş hızına bağlıdır. Isı geçişinin tane büyüklüğü üzerinde kuvvetli bir etkiye sahip olduğu ve ısı geçişinin azalması ile katılaşan malzemenin tane boyutunun büyüdüğü deneylerle tespit edilmiştir.
5
Şekil 2 - Dökülen metallerin Katılaşması sırasında kalıp cidarı ve sıvı metal arayüzeyinde sıcaklık dağılımı
Şekil 3 - Kalıba dökülmüş metallerin değişik iç yapı şekilleri (şematik) (a) - Saf metaller, (b) - katı çözelti alaşımlar (katı çözelti,bir veya daha fazla kimyasal element ihtiva eden tek bir homojen kristal fazıdır) (c) - katılaşan kütlede sıcaklık farklılıkların olması nedeniyle veya tanelerin homojenizasyonunu sağlamak için bir katalizör kullanarak elde edilen yapı
6
Şekil 4 - Soğuk kalıp yüzeyinde tercihli yapının gelişmesi
3.2 Alaşımlar Saf metallerin aksine alaşımlar bir sıcaklık aralığında katılaşır (Şekil 5). Sıcaklık, likidüs (ergime) hattının altına düştüğü zaman katılaşma başlar ve solidüs (katılaşma) hattına ulaştığında tamamlanır. Bu sıcaklık aralığında alaşımlar mantarlaşma veya pasta durumundadır. Alaşımın bileşimi ve durumu Şekil 6’da Bakır-Nikel alaşımı için verilen bir faz diyagramı ile gösterilmiştir. Burada bir katı çözelti olarak katılaşmış alaşım (Cu), ana metal (Ni) içinde tamamen çözünmüş ve her tane aynı bileşime sahiptir.
Şekil 5 - Bir alaşımın kalıp cidarında (soğuk yüzeyde ) katılaşması ve katılaşan metalde soğuma eğrisi
7 Şekil 3 (b) eş eksenli taneli bir bölge ile tipik bir katı çözeltili alaşımının döküm yapısını göstermektedir. Bir katalizör ilavesi ile bu bölge baştan başa genişletilebilir (Şekil 3 c). Bu uyarma (katalizör etkisi) kalıp duvarından merkeze doğru gelişen alışılagelmiş tane oluşumu yerine
tanelerin
düzensiz
çekirdeklenmesine
sebep
olur.
Düzensiz
çekirdeklenme
oluşturmanın başka bir metodu da kalıp içindeki sıcaklık farkını elimine etmek veya azaltmaktır. Şekil 7(a)’da görüldüğü gibi dentritler üç boyutlu dal ve kollar şeklinde oluştuğundan birbirini kilitlerler.
Şekil 6- Çok yavaş soğutma ile elde edilen Nikel - Bakır alaşım sistemi için faz diyagramı. Katı çözelti bakır ve nikel ihtiva eden tek bir homojen kristal fazdır. Dikkat edilirse saf nikel ve saf bakırdan herbiri bir katılaşma sıcaklığına sahiptir. Tablo 1 - Metal ve alaşımlarının katılaşma karakteristikleri
8
(a)
(b) Şekil 7- (a) -Dökme demirin katılaşma modeli. Parçalar 178 mm’lik karedir. Dikkat edilirse dentritlerin 11’ inci dakikada birbirine ulaştıkları görülür. Fakat döküm hala tamamen mantar şeklindedir. Bu parçanın tamamen katılaşması için iki saat gereklidir. (b) -Karbonlu çeliklerin kum ve metal kalıplarda katılaşması. Çeliğin karbon ,muhtevası arttıkça katılaşma modeli değişir.
9 Alaşım çok yavaş soğutulduğu zaman her bir dentrit üniform bir şekilde gelişirken, hızlı soğutma ile merkezdekilerden farklı yüzey bileşimine sahip fitilli dentritler oluşur (Şekil 6). Elde edilebilen dentritik yapıların değişimi Şekil 7 (b)’de gösterilmiştir. Burada zaman, soğutma hızı ve alaşım cinsinin etkisi gözlenebilir. Kum kalıba dökülmüş ve farklı karbon ihtiva eden çeliklerden en düşük karbonlu çelik markalı bir yüzey oluşumu ile katılaşırken (kısa katılaşma süresi) yüksek karbonlu olanı katılaşma sırasında geniş mantarlaşma bölgeleri gösterir (uzun katılaşma süresi). Tablo 1’de çeşitli metallerin katılaşma aralıkları gösterilmiştir. 3. 3 - Katılaşma Zamanı Bir yumurtanın haşlanması katılaşmanın zamanla gelişimi hakkında güzel bir örnek teşkil eder. Sıcak veya kaynayan bir su içine bırakılan çiğ bir yumurta belli bir zaman sonra (mesela 1 dakika) alınır ve kırılarak bakılırsa, yumurtanın ortasındaki sarı kısmın henüz sıvı olduğu ancak beyaz kısmın kısmen katılaştığı görülebilir. (rafadan diye isimlendirilir). Eğer yumurtayı iki dakika sonra alsaydık sıvı kısmının bir öncekine göre daha azaldığını ve katılaşan beyaz tabakanın arttığını görürdük. Yumurtanın tamamen pişmesi yani katılaşması için belli bir süreye ihtiyaç olduğu (mesela 3-4 dakika) bilinen bir gerçektir. Bu zamanın belirlenmesinde en etken faktör suyun sıcaklığı ve yumurtanın hacmidir. Eğer ılık bir suda (30-40oC) gibi yumurtanın tamamen pişmesi beklenirse, kaynayan sudakine göre daha uzun zamanın gerekli olduğu anlaşılır. Buda gösterir ki su ne kadar sıcaksa yumurta o kadar erken pişer. Metallerin katılaşması da yukarıdaki olaya benzerdir. Ancak burada sıvı bir metali katılaştırmak için yumurtadaki gibi ısıtmak değil, soğutmak gerekir. Belli bir hacim ve şekildeki sıvı metalin tamamen katılaşması için yine belli bir süreye ihtiyaç vardır. Yumurtanın pişmesindeki gibi katılaşma cidarlardan başlar ve merkeze doğru ilerler. Tamamen katılaşma için gerekli süre ise, metalin içinde bulunduğu hacmin yüzey alanı ile direk ilgilidir. Bu alan ne kadar büyük ise, katılaşma süresi de o oranda azalır. Aynen yumurtanın pişmesindeki gibi ortamın sıcaklığı da metalin katılaşmasına etki eden önemli faktörlerden biridir. Katılaşmanın ilk safhasında kalıp cidarlarında ince bir kabuk veya tabaka oluşur. Bu tabakanın kalınlığı zamanla sıvı metalin merkezine doğru artar. Düz kalıp cidarlarında, katı tabakanın kalınlığındaki bu artış zamanın kareköküyle orantılıdır. Hacim arttıkça soğuma hızı düşer. Tamamen katılaşma için geçen süre genel bir formülle şöyle ifade edilebilir. Katılaşma zamanı = C ( Hacim / Yüzey alanı ) 2
(1)
10 Burada C, kalıp malzemesi ve sıcaklığa bağlı bir sabittir. Bu sabit Chvorinov sabiti olarak bilinir ve değişik geometriler için iyi netice verdiği tespit edilmiştir (N. Chvorinov’a atfen, 1938). Bu temel eşitliğin açıklanması ile bir küpün aynı hacimli bir küreden daha hızlı katılaştığı görülebilir. Kalıp geometrisi ve zamanın katılaşmaya etkisi Şekil 8’de gösterilmiştir. Burada mevcut sıvı metal katılaşmış bölgeden uzaktadır. Dikkat edilirse katılaşmış tabaka dış bölgelere göre (B ile gösterilmiştir) iç kısımlarda daha incedir (A). Bunun sebebi iç kısımlarda soğuma hızının dış kısımlara nazaran daha yavaş olmasıdır.
Şekil 8 - Çelik dökümde katılaşmış tabaka. Arta kalan ergimiş metal belirtilen sürelerde boşaltılır. A’daki katılaşmış tabaka dış köşedekinden (B) daha incedir. İçi boş süs ve dekoratif parçalar da benzer prosesle dökülür (boşaltma döküm ) ve yukarıdaki şekilde gösterilen katılaşma modeline sahiptir.
Örnek problem 1 Aynı hacimli fakat farklı geometrik şekle sahip üç ayrı parça göz önüne alalım. Bunlar küp, küre ve yüksekliği çapına eşit bir silindir olsun. Hangi parça en hızlı ve hangisi en yavaş katılaşır? Çözüm: (1) nolu eşitliğe göre hacimler eşit olduğundan; Katılaşma zamanı = 1 / (yüzey alanı) 2 = 1 / S 2 Hacim birim kabul edilerek yüzey alanları aşağıdaki şekilde hesaplanır. Küre:
V = (4/3) π r3 , buradan r = ((3/4) π)1 / 3 A= 4 πr2=4 π ( 3/4 π)2 / 3 =4.84
Küp:
V=a3 , buradan a=1 A= 6 a = 6
Silindir: V= π r2 h = 2 πr 3 , buradan r= ( 1 / 2π) 1 / 3 A=2 π r2 + 2 π r h = 6 π r2=5.54 Böylece katılaşma zamanı , t: t küre = 0.043 C
11 t küp = 0.028 C t Silindir= 0.033 C olur. Buradan küp şekilli parçanın en hızlı, kürenin ise en yavaş katılaştığı anlaşılır. 3.4.Katılaşmayı yönlendirme Dökülen parçanın hatasız elde edilmesine yardımcı olmak üzere, katılaşma sırasında bazı kısımların birbirine göre katılaşma önceliği iyi belirlenmelidir. Bu ise yönlü katılaşma ile sağlanır. Yönlü katılaşmayı Şekil 9 üzerinde açıklayalım.
Şekil 9- Yönlü katılaşmada öncelik bölgeleri
Şekilde görüldüğü gibi, parçanın boşluksuz katılaşması için besleyici tarafından beslenmesi, yani geçiş kısmında besleme için bir sıvı hattı daima bulunması gerekir. Buna göre ilk olarak parçanın tamamen katılaşması ve sonrasında sırası ile geçiş kısmı ile besleyicinin katılaşması gerekmektedir. Her bir kısmın katılaşma zamanlarını dizersek Zb > Zg >Zp sırası sağlanmalıdır. Bu
dizilimin
gerçekleşip
gerçekleşmeyeceğini
anlamak
üzere
katılaşma
modülü
hesaplanmalıdır. Mesela, Şekil 10’da görülen örneklerden yola çıkarak katılaşma modülü µ= V/s şeklinde hesaplanır. Burada V: hacim, s: ısı kaçan yüzey alanı ve µ: katılaşma modülüdür. Aynı hacim ve ağırlığa sahip bu iki parçadan hangisinin önce soğuyacağı tamamen yüzey alanları ile ilgilidir ve en büyük ısı kaçan yüzey alanına sahip olan plakanın daha önce soğuyacağı kolayca bulunabilir.
12
Küre
350
Plaka
Ø135
350 V= 1.3 dm3 S= 5.75 dm2 Z= 15 dak.
V= 1.3 dm3 S= 26 dm2 Z= 0.6 dak.
Şekil 10- Aynı hacim ve ağırlığa sahip küre ve plaka şeklindeki parçaların katılaşma modüllerinin karşılaştırılması
Buradan da anlaşılacağı üzere ısı kaçan yüzey alanı bakımından daha geniş yüzeye sahip bulunan plaka aynı hacim ve ağırlıklı küreye göre çok daha hızlı soğuyacaktır.
Şekil 11- Alt ve üst yüzeyden başlayarak katılaşan cidar kalınlığı
Yukarıdaki plakanın alt ve üst yüzeyinden aynı miktarda soğuduğu varsayılırsa, zamanın bir fonksiyonu olarak katılaşan cidar kalınlığı (x) her iki yüzeyden başlayarak artacak ve belli bir süre sonra plaka kalınlığı, yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi e’ye eşit olacaktır (Şekil 11). Bu halde plaka tamamen katılaşmış durumdadır. O halde plakalar için katılaşma modülü e / 2 şeklinde yani plaka kalınlığının yarısı alınır. Katılaşma kalınlığı (x)’i zamanın bir fonksiyonu şeklinde yazarsak, plakalar için katılaşma kalınlığı: x= k (Z)1/2 şeklinde olur.
13 Burada k, kalıp ve dökülen malzeme cinsiyle sıcaklığa bağlı bir sabittir. Bu katsayı kuma dökülen çelik malzemeler için 0.686 alınır. Yukarıdaki bağıntıdan Z = (x/k)2
(1/k)2.(e/2)2 şeklinde yazılır. 1/k = c ve e/2 = Mp
denirse Z=c.(e/2)2 ve plakanın tamamen katılaşması için geçen zaman: Z=c.Mp şeklinde yazılır. Besleyici ve parça arasındaki geçiş bölgesi gibi iki tarafı dökülen çevrilmiş yani soğumanın parça ve besleyici sınırlı olduğu ara yüzeyler için katılaşma modülü değişik şekilde hesaplanır.
1 cm
a b Şekil 12- Ara bölgenin katılaşma modülü hesabı
Şekil 12’de görülen ara bölgenin katılaşma modülü hesaplanırsa V = a.b .1 S = 2(a+b) x 1 a.b elde edilir. Buradan da görüldüğü gibi ara yüzeyde katılaşma modülü M= 2.(a + b) M=
kesitalanı şeklindedir. kesitçevresi Besleyici
x Parça
50 Şekil 13- Geçiş kısmının katılaşma modülü hesabı
14 Şekil 13’deki plaka için geçiş kısmının (taralı kesit) modülü hesaplayalım. Ancak bilinmesi gereken başka bir hususu burada öncelikle söylemek gerekir. Parça, geçiş ve besleyici modülleri arasında da Mp < Mg < Mb şeklinde bir katılaşma önceliği vardır. Buna göre pratikte Mp:Mg:Mb ; 1:1.1:1.2 şeklinde alınır. Bu hatırlatmadan sonra yukarıdaki plakanın katılaşma modülü : Mp=5/2=2.5 cm’dir. Pratik değerlere göre Mg ise 2.5x1.1 = 2.75 cm olmalıdır. Mg’nin 2.75 cm olabilmesi için şekildeki kesit kenar uzunluklarının çok çok büyümesi gerekeceği Mg = kesit alanı/kesit çevresi bağıntısı kullanıldığında görülür. Bu ise geçiş kısmının temas yüzeyinin oldukça kalın olmasını gerektirir. Oysa besleyicinin parçadan kesilmesi gerekir ve bu durum büyük işçilik ve malzeme israfına sebep olur. Maliyet artacağından bu gibi durumlarda geçiş kısmının kesitini küçük tutabilmek için geçiş kısmı, ısı iletimi düşük malzemeden, Şekil 14’te görüldüğü gibi ayırma maçaları kullanılarak izole edilir ve parçadan daha geç soğuması sağlanır. Böylece kesme kolaylığı da sağlanmış olacaktır.
Şekil 14- Ayırma maçası
Bazen bu çözüm yeterli olmayabilir. Böyle durumlarda ayırma maçası kullanma yanında, parçanın herhangi bir yolla erken soğuması teşvik edilmelidir (Örnek: İç ve dış soğutucular kullanarak). 4. DÖKÜM PROSESLERİ Mühendislikte ve özellikle makina yapımında kullanılan malzemelerin döküm prosesiyle şekillendirilmesi için çeşitli yöntemler kullanılır. Yöntem seçimi parçanın kaliteli ve en ekonomik şekilde imalini sağlayacak şekilde yapılmalıdır. Burada parçanın şekli ve boyutu önemli bir faktördür. Dizayn sırasında döküm yöntemi bilinmeli ve o yöntemin özellikleri mutlaka dikkate alınmalıdır. Dökümde önemli bir husus parçanın son şekil ve ölçüsünde veya
15 ona yakın şekilde imal edilebilmesidir. Çok değişik şekilli parçalar birçok farklı metal veya alaşımdan dökülebilir. Döküm yöntemini çeşitli kriterlere göre sınıflandırmak mümkün olmakla birlikte şu ana başlıklar altında toplamak uygun olacaktır. A - Metalin kalıba gönderiliş tarzına göre 1 - Sıvı metalin yer çekimi etkisiyle döküldüğü yöntemler 2- Basınçlı döküm yöntemleri B - Döküm kalıbının durumuna göre 1 - Bozulan kalıplara döküm 2 - Sabit kalıplara döküm C - Sürekli döküm yöntemi D - Özel döküm yöntemleri Bozulabilen kalıplar çeşitli bağlayıcılarla birlikte kum gibi malzemelerden yapılır. Parça, kalıp bozularak çıkarılır. Yaş kum kalıplar, kabuk kalıp, silikatla (cam suyu) bağlanmış ve karbon dioksitle sertleştirilmiş kalıplar, alçı ve seramik kalıplar bu kalıplar arasında sayılabilir. Ayrıca kalıplama için model kullanılıp kullanılmamasına göre de sınıflama yapmak mümkündür. Fakat burada yaygın döküm yöntemleri yukarıda sayılan grupların birkaçına birden dahil olabildikleri için uygulamada anıldıkları şekilde sıralanacaklardır. 1 - Sürekli döküm 2- Kum kalıba döküm 3 - Kabuk kalıba döküm 4- Sürekli kalıba döküm 5 - Metal kalıba döküm 6 - Savurma döküm 7 - Alçı kalıba döküm 8 - Hassas (Investment) döküm 9- Özel döküm yöntemleri Burada sayılan döküm yöntemlerinden kuma döküm, dökülen parça tonajı bakımından en büyük orana sahiptir. Fakat son yıllarda sürekli kalıp, kabuk kalıp ve hassas döküm yöntemlerinin kullanımı hızla artmaktadır.
16 4. 1 - Sürekli Döküm Bu proses ilk olarak demir olmayan metal şeritlerin dökümü için geliştirilmiştir. Ancak günümüzde demir ve demirdışı metallerden uzun ve sürekli şekiller, özel kesite sahip parçalar, Şekil 15’te gösterilen üç ayrı sürekli döküm tekniği ile imal edilebilirler. Esas olarak, sıvı metal su ile soğutulan kalıp içinden kendi ağırlığı ile geçer ve katılaşır. Katı kısım hadde ile desteklenen bir yol boyunca ilerler. Soğumanın ilk kademesinde parça, normal soğuma ile oluşan katılaşmış bir cidar ile kendini geliştirir. İlave soğuma su spreyi ile sağlanabilir. Kalıplar genellikle bakırdan yapılır ve kalıp-metal arayüzeyindeki yapışma ve sürtünmeyi azaltmak için yağlayıcı özelliği olan grafit kullanılır. Ayrıca bu amaçla kalıplar titreştirilebilir. Şekilden de görülebileceği gibi parçalar, döküm hattının ilerisinde istenilen boyda kesilebilir. Kesme işleminde oksijen veya mekanik aygıtlardan faydalanılabilir. Dökülen yarı mamül kesitini daraltmak ve istenilen kesiti kazandırmak için aynı hattaki bir haddeleme sistemi ile beslenebilir. Kare, dikdörtgen ve yuvarlak kesitli alüminyum, bakır ve değişik çelikler bu teknikle ekonomik olarak dökülebilir. Ergitme ve dökme sırasında sıvı metal kirlenmeden korunabildiği için yüksek kaliteli dökümler elde edilebilir.
Şekil 15 - Kare, dikdörtgen, boru, yuvarlak, yassı ve özel kesitli uzun çeliklerin yarı mamul şeklinde üretilmesinde kullanılan üç değişik sürekli döküm metodu
17 4. 2. Kum Kalıba Döküm Bu usül, metallerin dökümünde alışılagelmiş ve yüzyıllardır kullanılan bir metottur. Bugün döküm parçaların büyük bir kısmı bu metotla imal edilmektedir. Kum yüksek sıcaklıkta iyi mukavemet gösterdiği ve ucuz olduğu için kalıp malzemesi olarak çok uygundur. Döküm kumu alüminasilikat bileşiği olan kil ihtiva eder fakat özelliklerini iyileştirmek için bentonit, ateş kili gibi diğer killerde karıştırılabilir. Kum kalıbın özellikleri, kumun tane boyutu ve şekli, nem oranı, kil ve diğer ilave madde miktarları, sertlik, mukavemet, geçirgenlik ve esneklik gibi kumun özelliklerine bağlıdır. Çeşitli katkı maddeleriyle kalıp için hazırlanan kum istenilen parça şeklinde ve ona uygun ölçülerde hazırlanmış bir model etrafına doldurulur. Her bir döküm için yeni bir kalıp yapmak zorunludur ve sıvı metalin kalıba gönderilmesi için genellikle yolluk denilen kanallara ihtiyaç vardır. Dolu kalıp prosesi hariç, kum model etrafına sıkıca doldurulduktan sonra istenilen şekil boşluğunu oluşturması için model kumdan çıkarılır. Bunun için kalıp en az iki parçadan yapılmalıdır. Yukarıda değinilen konular aşağıda etraflıca açıklanacaktır. 4. 2. 1. Kalıp Kumları ve Kontrolü SiO2, zirkon veya olivin (forsterite veya fayalite) esaslı olan kuma bağlayıcı olarak kil (alüminasilikat) ve su katılır. Yüksek sıcaklıkta mukavemet, gelişmiş termal stabilite, düzgün döküm yüzeyi verme gibi değişik özelliklerini geliştirmek için diğer malzemeler ilave edilir. Yaş kalıp kumları kum kalıpların en ucuzu olup düşük distorsiyon avantajlarına sahiptir. Bu kumların esnekliği ve yeniden kullanılabilme özellikleri iyidir. Kalıp yapımında kullanılan kumlar dikkatli bir şekilde ayarlanmalı, üniform ve istenilen neticeyi verecek şekilde olup olmadığı kontrol edilmelidir. Kalıp kumlarından döküm sırasında maruz kalacağı çeşitli etkiler karşısında bazı özellikler beklenir. Bu özelliklerden önemlileri şöyle belirtilebilir. 1 -Refraktörlük: Sıvı metalin yüksek sıcaklığına kumun dayanabilme kabiliyetidir. 2-Şekil alma (koheziflik): Kalıp olarak şekillendirildiğinde istenen şekli kolayca alabilme ve koruyabilme kabiliyetidir. 3 - Geçirgenlik : Hava, gaz ve döküm sırasında oluşan su buharının kaçmasına müsaade kabiliyetidir. 4 –Esneklik : Katılaşma sırasında metalin büzülmesine müsaade kabiliyetidir. Bu şekilde parçanın sıcak yırtılma ve çatlaması önlenir.
18 Refraktörlük kumun kendi tabiatında mevcuttur. Şekil alma kabiliyeti, bağlanma ve mukavemet, nemlendirildiğinde bağlayıcı olan bentonit, kaolit veya illit gibi killer ilave edilerek sağlanır. Genleşme kabiliyeti ise hububat veya selüloz gibi sıcak metalle temas ettiğinde yanabilen diğer organik malzemeler ilave edilerek sağlanır. Geçirgenlik esas olarak kum tane boyutunun veya diğer bağlayıcı cinsi ve miktarı ile nem oranının fonksiyonudur (Şekil 16). İyi bir kalıp kamu, kum tane boyutu, bağlayıcı madde miktarı, nem oranı ve seçilen organik madde gibi faktörler arasında iyi bir uyum göstererek yukarıda sayılan dört özelliğin iyi bir kombinasyonunu sağlar. Çok iyi netice alabilmek için kum bileşimi dikkatli olarak kontrol edilmelidir. Tipik bir yaş kum karışımı % 89 silika kumu, % 8 kil ve % 3 sudan ibarettir. Kalıp kumu özellikleri üzerinde fena etkileri olan Fe2O3 ve CaO elementlerinin toplam miktarı % 8’in üzerinde olmamalıdır. Kil (Al2O3.2SiO2.2H2O) kalıp kumuna şekil alma ve şeklini muhafaza etme özelliği verir. Aynı zamanda kuvars tanelerini birbirine bağlar. Kalıp kumundaki kil miktarına göre kumlar üç kısma ayrılabilir. Zayıf kum diye adlandırılan kumda % 5 - 8 oranında kil mevcuttur. Yaş kalıplar, zayıf kumdan yapılır. % 5-10 oranında nem ihtiva eden zayıf kum plastikliğini kazanır. İnce cidarlı parçalar bu kumdan yapılmış yaş kalıplara dökülür. Orta yağlı kumda ise % 8-20 oranında kil bulunur. Bu kumdan yapılmış kalıplar kurutularak kullanılır. Çünkü orta yağlı kum kurutulduktan sonra mukavemetinde bir artış meydana gelir. Büyük ve kalın cidarlı parçalar kuru kalıba dökülür. % 20-35 oranında kil ihtiva eden kuma yağlı kum denir. Böyle bir kumdan yapılmış kalıplar kurutularak kullanılır. Yukarıdaki gerekliliklere ilave olarak, döküm sırasında kalıp malzemesinin sıcaklığını kontrol altında tutup, kumu ıslah etmek ve yeniden kullanmak gereklidir. Kumun her bir tanesi ilave maddelerle üniform olarak örtülmelidir. Bunu sağlamak için kum ve ilave malzemeler Şekil 17’de gösterilen modern ve sürekli tip bir karıştırıcıyla karıştırılır. Kumun çok sert olmaması için bir miktar yumuşatıcı ilave edilmelidir. Kalıp kumlarına bir miktar kömür tozu ilave edilerek, esnek bir ortam sağlanır. Ayrıca kömür tozu sıvı metalle temas ettiğinde yanacağından, metalin kuma yapışmasını önler ve parça yüzeyinin daha düzgün çıkmasına hizmet eder. İdeal olarak turb ve ağaç kömürü tozu kullanılması gerekirken, daha ucuz olması ve çekme gerilmelerini iyi karşılaması sebebi ile taş kömürü tozu kullanılır. Kömür tozu içindeki uçucu madde miktarları %35 civarında olmalıdır. Kömür tozunun, döküm sırasında yaratacağı istenmeyen olaylarda söz konusudur. Kömür tozu ihtiva eden yüzeyler çabuk ısınarak genleşmeye sebep olabilir. Bu ise, kalıp cidarlarında ısıl ve basma gerilmelerinin artmasına sebep olacaktır.
19
Şekil 16 - Kum kalıbın mukavemeti ve geçirgenliğine nem, bağlayıcı kil cinsi ve kum tane şeklinin etkisi
Şekil 17 - Kum karıştırma sistemleri (şematik). Sürekli karıştırıcı (sol şekil), yığın karıştırıcı (sağ şekil).
20 Modern dökümhane uygulamalarında çok sayıda kalıp ve maçalar, % 4 soda silikatı, çeşitli furfur veya furfur alkol ilavesiyle mukavemeti arttırılmış kumlardan yapılır. Sodyum silikat (cam suyu) ile karıştırılmış kum, CO2 gazına tabi tutuluncaya kadar yumuşaktır ve istenen şekil verilebilir. Karbon dioksit gazıyla bir kaç saniye içinde sertleşir. Bu hadise aşağıdaki reaksiyona göre gerçekleşir. Na2 SiO3 + CO2
Na2CO3 + SiO2
Bu tip kumlar sodyum silikat ile bir karıştırıcı içinde karıştırılabilir ve normal tarzda şekillendirilebilir. Derece içinde model etrafına sıkıştırılıncaya kadar CO2 gazıyla muamele edilmez. Furfurlar bir katalizörle birlikte kullanıldıklarında genellikle bir kaç dakika içinde sertleşmeye sebep olurlar. Bu reçineler kalıplama istasyonuna gönderilmeden hemen önce kuma ilave edilirler ve özel ekipmanlarla karıştırılırlar. CO2 - sodyum silikat metodunun önemli avantajı gazın, toksit olmayışı ve kokusuz oluşu, bu yüzden katkı maddesine ve kurutmak için ısıtmaya ihtiyaç duyulmamasıdır. Fakat bu kumlar sertleştiklerinden sonra, kalıp bozma ve maça çıkarma işlemi zordur. Diğer kumlardan farklı olarak döküm sırasındaki ısınma kumun mukavemetini arttırır (seramik bir malzemenin pişirilmesi gibi). Kum kontrolü döküm dizayncısını az ilgilendirmesine rağmen iyi ve kaliteli parçalar imal etmek isteyen dökümcüyü büyük oranda ilgilendiren bir konudur. Tane boyutu, nem ve kil miktarı, kalıp sertliği, geçirgenlik ve mukavemeti test ederek kum kalitesini arttırmak için standart testler ve metotlar geliştirilmiştir. Tane boyutu ve inceliği, aşağı inildikçe ölçüsü büyüyen on bir elekli standard bir elek takımına konulan belli miktardaki kuru silika tanelerini eleyerek belirlenir. 15 dakika sallandıktan sonra her bir elekte kalan miktar tartılır ve ağırlıklar AFS numarasına dönüştürülür. Nem oranı, yaygın olarak iki punta arasına sıkıştırılmış küçük bir kum numunesinin elektrik iletimini ölçen özel bir ünite ile belirlenir. Diğer bir metot da bir konveyör band üzerinde kum geçerken radyoaktif bir kaynaktan yayınım ile nem miktarının sürekli ölçümü sağlanır. Üçüncü bir metot, 50 gramlık bir numuneyi 110 oC deki bir hava akımına üç dakika maruz bırakıp direk ağırlık kaybını ölçerek nem miktarını tespit etmektir. Kil muhtevası, 50 gramlık bir kum numunesini, kumu alkalin yapacak sürede sodyum hidroksit ihtiva eden suda yıkayarak belirlenir. Böyle bir çözeltide birkaç yıkama ve çalkalama safhasından sonra kil giderilir. Arta kalan kum kurutulur ve sonra tartılarak kil miktarı belirlenir. İlk ağırlık ile ve yıkanıp kurutulduktan sonraki ağırlık arasındaki fark kil miktarını verecektir.
21 Geçirgenlik ve mukavemet testleri 25 mm çap ve 25 mm yüksekliğindeki standart silindirik bir kum numune ile yapılır. Geçirgenlik; kum taneleri arasındaki boşluklardan gazların kolayca geçebilme ölçüsüdür. Kalıpta bulunan hava ve sıcak metal tarafından buharlaştırılan nemin oluşturduğu su buharının kaçmasına müsaade edilmelidir. Çünkü bu gazlar döküm sırasında sıvı metal içinde veya kalıp köşelerinde sıkışarak boşluklar ve gözenekler oluşturur. Geçirgenlik testi için, içinde sıkıştırılmış kum numune bulunan tüp cihaza yerleştirilir ve 10 g / cm2 lik bir hava basıncına maruz bırakılır (Şekil 18). Orifis veya kum arasında ya akış hızını veya basıncı ölçmek suretiyle bir AFS geçirgenlik numarası belirlenir. Bu ise aşağıdaki gibi ifade edilir. V.H / P.A.T
(2)
1 cm yüksekliğinde ve 1 cm2 kesitindeki bir numune içinden 1 g /cm 2 lik bir basınç altında geçecek hava hacmidir. Burada V, havanın hacmi (2000 cm3), H, numunenin yüksekliği (5.08 cm), P, basınç (10 g/cm2), A, numune kesit alanı (2.268 cm2) ve T, 2000 cm3’lük bir akış için gerekli zaman (s) dir. Sabitleri de dikkate alarak geçirgenlik numarası = 30072 / T dir. Çoğu cihazlar geçirgenlik numarası için direk değer verir.
Şekil 18 - Döküm kumlarının geçirgenlik test metodu (şematik)
Kumun basma mukavemeti, sıkıştırılmış kum numunenin üniversal bir kum test cihazında sıkıştırılması ile belirlenir. Genellikle 0.07 - 0.2 MPa aralığında bir sıkıştırma basıncı numune bozuluncaya kadar uygulanır. Aynı test makinası kurutulmuş veya polimerleşmiş kum numunelerin enine eğme mukavemetini ölçmek için de kullanılabilir. Mukavemet-geçirgenlik ilişkisini etkilediğinden bir kalıpta sıkıştırılmış kumun sertliği çok önemlidir. Genellikle sertlik, yaklaşık 5 mm çapında yay ile yüklenebilen çelik bilyanın kuma gömülme direncini
22 ölçen bir cihazla belirlenir. Döküm sırasında kalıp cidarı ile sıvı metalin teması, bazı fiziksel
Derinlik
olayları ortaya çıkarır.
Radyasyon Yoğuşma Bölgesi
20oC 100oC te Sıcaklık
Konveksiyon
Şekil 19- Kalıp boşluğu çevresinde yoğuşma bölgesi oluşumu
Sıvı metalin kalıba dökülmesi ile kalıp cidarlarına geçen ısı, bölgedeki nemi buharlaştıracak ve buharlaşan nem kalıp derinliklerinde yoğuşacaktır (Şek. 19). Sıcaklığı 100 oC’nin üzerine çıkan kalıp cidarları nem ihtiva edemeyeceğinden kuruyarak genleşmeye çalışacaktır. Bu genleşme kalıp kütlesince engelleneceğinden, kalıp boşluğuna doğru gerçekleşecektir. Böylece kalıp boşluğu cidarların genleşmesi ile şeklini kaybedecek ve daralacaktır. Burada özellikle kalıp tavanı sarkması önemli bir problem olarak karşımıza çıkabilir. Çünkü, tavan derinliklerinde sıcaklık gradyanı(değişimi) nedeniyle basma ve onun etkisi ile çekme gerilmeleri artacak ve tavan sarkacaktır. Tedbir alınmadığı durumlarda büyük hacimli parçalarda kalıp tavanı çökebilecektir. Bu gibi hatalardan emin olabilmek için kalıp kumu numunesi ile yoğuşma bölgesinin çekme ve basma dayanımı değişik test metotları ile ölçülmektedir. İki parçalı bir silindirde üstten ısıtılan kum numunesinden kaçan nem, silindirlerin ara bölgesinde yoğuşturularak, silindirler birbirinden ayrılmaya zorlanır ve kopmayı sağlayan kuvvet ölçülerek yoğuşma bölgesinin çekme dayanımı belirlenir. 4. 2. 2 – Modeller Kum kalıpların hazırlanması için ilk ihtiyaç model dizaynı ve yapımıdır. Model, döküm prosesinin temel esaslarına ve özellikle kullanılacak kalıplama tekniğine uygun olarak hazırlanmış parçanın bir benzeridir. Kaliteli parçaların elde edilmesi model dizaynıyla yakından ilgilidir. Hassas model hassas parça için ön şarttır. Modellerin yapımında imal edilecek parça sayısı, kalıplama tekniği, döküm yöntemi ve metal akış şartları gibi bazı faktörler kalite ve ekonomiklik açısından önemlidir. Bu bakımdan model yapımı detaylıca ele alınacaktır.
23 4. 2. 2. 1 - Model Malzemeleri Model malzemesi, imal edilecek parça sayısına göre belirlenir. Dökülecek parçanın şekli ve kalıplama tekniği model malzemesi seçiminde önemli faktörlerdir. Parça boyutu, şekli, boyutsal hassasiyet ve arzu edilen parça kalitesine göre modeller yaygın olarak ahşap, metal, plastik veya plaster (alçı) dan yapılırlar. Çok sayıda parça imal edilecekse model malzemesi mukavim ve sert olmalıdır. Uzun süre kullanmadan dolayı aşınmayı azaltmak için modeller çeşitli malzemelerin kombinasyonu ile de yapılabilir. Örneğin ahşap bir modelde kritik bir aşınma bölgesi varsa bu bölgenin aşınmaya direncini arttırmak için metal bir iskelet kullanılabilir. Bu metal bölge modelin ömrünü uzatır ve dolaysıyla model yenileme masrafını düşürür. Ahşap modeller metal modellerden daha ekonomik olmalarına rağmen daha çabuk yıpranırlar. Ahşap modellerin yapımı nispeten kolaydır ve az sayıdaki parçalar için oldukça sık kullanılır. Ahşap modeller yumuşak veya sert ağaçtan yapılırlar. Yumuşak ağaçtan yapılmış modeller 10’dan daha az sayıdaki parçaların imalatı için uygundur. Çünkü yumuşak ağaç kolay deforme olur. Dolayısıyla kalıbın sıkıştırılmasında bu husus dikkate alınmalıdır. Sert ağaçtan yapılmış model ve maça sandıkları daha dayanıklıdır. Ahşap nem ile çarpılma, şişme - büzülme şeklinde etkilendiğinden boyutsal açıdan çok dengeli değildir. Metal modellerin yapımı ahşap modellere göre daha zor ve daha pahalıdır. Fakat boyutsal olarak daha dengeli, dayanıklı ve aşınma dirençleri yüksektir. Metal modeller genellikle uygun levhalarla kullanılırlar. Üretanlar gibi sert plastikler bazı kuvvetlendiricilerle birlikte model malzemesi olarak sık kullanılırlar. Bu plastikler genel olarak karmaşık şekilli parçalar için dökülerek model haline getirilirlerse de işlenerek de yapılabilirler. Dolu kalıp prosesinde polystren kullanılır fakat bir modelin sadece bir kere kullanılma imkanı vardır. Plastik modeller metal olanlardan daha hassas ve hafiftirler. Plastiklerin kalıp nemini absorbe etmemeleri avantajlarındandır. Ayrıca şekil vermek kolay ve oksidasyon yoktur. Fakat daha çabuk aşınırlar. Alçı modellerle dar toleranslarda karmaşık ve hassas parçalar dökülebilir. Model yapımında yumuşak ve sert alçı kullanılır. Sert alçılar daha dayanıklıdırlar. Alçılar belli bir zaman aralığında kolayca şekillendirilebilir bir plastikliğe sahiptir ve kolay tamir edilirler. Fakat döküldükten kısa bir süre sonra katılaşırlar. Model yapımında yaygın olarak kullanılan alüminyum, ahşap ve plastiklerin özellikleri Tablo 2’de verilmiştir.
24 Tablo 2-Model malzemeleri ve özellikleri
4. 2. 2. 2 - Model Payları Daha önce bahsedildiği gibi modeller şekil olarak imal edilecek parçanın bir benzeridir. Boyut açısından incelendiğinde modeller imal edilmiş parçadan daha büyüktürler. Modeldeki bu boyut fazlalıklarına genel olarak “pay” adı verilir. Çekme payı: Bunların en önemlisi kendini çekme (büzülme) payıdır. Malzeme cinsine bağlı olarak katılaşmayı takiben bir büzülme meydana gelir. Bu yüzden model bu büzülmeyi karşılayacak şekilde istenen parça ölçüsünden biraz büyük yapılmalıdır. Tam olarak modeldeki büzülme payı dökülecek metale bağlıdır. Bazı metallere ait tipik çekme payları şöyledir (%): Dökme demir: 0.8 - 1 Çelik
: 1.5 -2
Alüminyum
: 1 - 1.3
Mağnezyum : 1 - 1.3 Pirinç
: 1.5
Model yapımcısı bu payları özel çekme cetveller kullanarak verir. Bu cetvel standart cetvelden büzülme miktarı kadar büyüktür. Fakat termal büzülme, katılaşma sonrası boyutu etkileyen tek faktör olmadığı için biraz dikkatli olmak gereklidir. Bölüm 3’te açıklandığı gibi ergimiş metal kalıba döküldüğü ve katılaşmaya başladığı zaman kalıp cidarlarından ısı kaybettiği için içe doğru kendini çeker. Çekmeye izin verecek şekilde modele verilmiş fazla boyut (pay) miktarını çeşitli faktörler belirler. Metallerin döküm sıcaklığı, kalıp malzemesinin soğutma etkisi, kalıp boyutları ve içindeki maça kütlesi bu
25 faktörler arasında sayılabilir. Bununla birlikte metalin büzülmesini karşılayacak gerekli metal miktarı için belli bir kuralın bulunmayışı bu miktarın tecrübeyle ayarlanmasını gerekli kılar. Metal modellerin imalinde ise model ve esas parça metalinin çekme payları birlikte değerlendirilmelidir. Koniklik: Model üzerinde kumdan çıkarılmasını kolaylaştıracak bir koniklik olmalıdır. Eğer modelin yan yüzeyleri bölme yüzeyine dik veya çıkarma (çekme) yönüne tam paralel olursa modelin bölme yüzeyine dik doğrultuda herhangi bir hareketi sırasında model ve kalıp cidarı arasındaki sürtünmeden dolayı kum taneleri kopar. Bu durum özellikle bölme yüzeyi ve kalıp boşluğunun kesiştiği köşelerde aşırı şekilde meydana gelir. Çıkarma yönüne paralel olan bütün yüzeylere hafif bir koniklik vererek bu zorluk minimuma indirilir. Bu koniklik sebebiyle modelin az miktarda çekilmesi bütün yüzeylerin kumdan temasını kesecek ve kalıba herhangi bir zarar vermeden modelin çıkmasını sağlayacaktır. Koniklik, modelin bölme yüzeyi ve kenarının kesiştiği köşeden bölme yüzeyine 90o çizilen hayali düşey çizgi ile model kenar düzlemi arasındaki açıdır. Koniklik açısı genellikle kalıbın bölme yüzeyinde başlar ve her iki yönde devam eder (Şekil 20,21).
Şekil 20 - Dökümde kalıp bölme yüzeyi ile konikliğin ilişkisi
Şekil 21- Koniklik açısı
Koniklik miktarı, modelin şekil ve boyutu, kalıp derinliği, modelin çıkarılma metodu, model malzemesi, kalıp malzemesi ve kalıplama tarzı ile belirlenir. Koniklik miktarı 1, 2 veya 3 ° gibi açısal bir değer veya 1 / 100, 1 / 30 gibi boyutsal oran olarak belirtilir. Konikliğin verileceği kenar kısa olduğu zaman 1/2 o’lik açı yeterli olabilir. Ancak kalıp derinliğinin büyük olduğu yüzeylerde koniklik açısı 2 veya 3 ° olmalıdır. Dış yüzeylerdeki koniklik kenarlardan birine veya ikisine birden verilebilir. Modelin her iki tarafında koniklik bulunduğunda fazladan düzenleme gerektirir ve model yapma zamanını uzatır (Şekil 22).
26 Maça kullanılmadan oluşturulacak iç delik veya boşluklar için de koniklik verilmesi gerekir. Çünkü bu gibi deliklerin yüzeyleri kalıp malzemesini kuşatır ve modelin çıkartılması son derece zordur. Bu durumda iç yüzey koniklikleri küçük delikler için 1/24’e kadar artabilir veya normalde dış koniklikten 1 veya 2° büyük tutulmalıdır (Şekil 23).
Şekil 22-Dış koniklik
Şekil 23-İç koniklik
Modele verilecek koniklik aynı zamanda kalıp malzemesine bağlıdır. Mesela yaş kalıp kumuna kalıplanacak bir model bağlayıcı ihtiva eden kumda kalıplamaya göre daha fazla koniklik gerektirir. Koniklik modelin boyutlarını daima arttırdığı ve buna bağlı olarak döküm parçanın da boyut ve ağırlığı artacağından konikliğin, modelin çıkarılmasını sağlayabilecek minimumlukta tutulması arzu edilir. Model çıkarılmadan önce kalıp kumuna yüksek mukavemetin verildiği ve kalıplama makinalarının kullanıldığı modern kalıplama yöntemlerinde modelin çıkarılması için gerekli koniklik payında önemli oranda azaltmaya gidilir. Böylece ince cidarlı hafif parçaların imalatı kolaylaşır, ağırlık ve işlemeden tasarruf sağlanır. İşleme payı : Eğer döküm parçalar üzerinde dökümden sonra işlenecek yüzeyler varsa modele bir “işleme payı” vermek gerekecektir. İşleme payı miktarı döküm prosesine ve kalıp malzemesine bağlıdır. Alışılagelmiş kum kalıba dökümler kabuk kalıba dökümlere göre daha kaba yüzeylere sahiptirler. Metal kalıba dökülmüş parçalar yeterli düzgünlükte olduklarından hiç talaş kaldırmayı gerektirmez ya da çok az işlenmeye ihtiyaçları vardır. Hassas dökümler genellikle işlenmezler. Buradan dizayncının işleme payını döküm yöntemine göre dikkate alması gerektiği ortaya çıkmaktadır. Ayrıca yukarda açıklanan konikliğin ise kısmen veya tamamen fazladan metal işleme işi gerektirdiği unutulmamalıdır.
27 Distorsiyon (Çarpılma) payı : Bazı parçalar döküm sırasında çarpılmaya meyledebilir.Bu yüzden çarpılma miktarını karşılamak üzere modele bir pay verilmelidir. Burada parçanın şeklinin etken olduğu açıklığıyla ortadadır. Mesela uzun düz kesitlere bir pervaz ile uygun destek sağlanmadıkça ortasından sarkmaya meyleder. Bu tip çarpılma konfigürasyonu cidar kalınlığına bağlıdır ve dizayncının gerekli çarpılma payı vermede tecrübeli olmasını gerektirir. Modellere verilecek çeşitli paylar parça nominal ölçüsü üzerine artı bir boyut miktarı demektir. Buna göre modelin ilgili ölçüsü , parçanın o kenarının nominal ölçüsü, çekme payı, koniklik payı, işleme payı ve varsa çarpılma paylarının toplamıdır. Yukarıda açıklandığı gibi bu paylar çeşitli faktörlere bağlıdır ve genelde döküm ağırlığının ve işlenerek kaldırılması gereken metal miktarının artmasına sebep olurlar. Bu ise malzeme ve zaman israfı demektir. Bunlar için izlenecek yol Şekil 24’de gösterilmiştir. Modern mekanik kalıplama ve model çıkarma ekipmanları, modeli çıkarmadan önce kumu sertleştiren ve mukavemetini arttıran prosesler model paylarının azaltılmasına müsaade ettiklerinden gittikçe popüler olmaktadırlar. Modelin kum kalıptan çıkarılması sırasında hafifçe sallanacağı (takalama) dikkate alınarak bu işlemin ortaya çıkaracağı kalıp genişlemesi de negatif bir pay olarak düşünülmelidir. Bu tamamen el maharetine ve işçinin dikkatine bağlı bir paydır.
Şekil 24- Model üzerinde olması gereken çeşitli paylar
4. 2. 2. 3 - Model çeşitleri Model tipleri, yaygın kullanılan ve istenen parça sayısı ve karmaşıklığına göre belirlenmiş özel modeller olarak iki ana grupta değerlendirilebilir. Yaygın kullanılan modeller grubuna daha ziyade ahşap, metal veya alçıdan yapılmış tek parçalı, iki parçalı veya çok parçalı modelleri dahil edebiliriz. Ayrıca plakalı modeller de seri imalatta yaygın olarak kullanılırlar. Özel tip modeller ise balmumu ve bazı plastiklerden yapılmış tek parçalı ve dolu kalıp proseslerinde kullanılan modellerdir.
28 Tek parçalı modeller: Tek parça veya yekpare modeller en basit ve en ucuz model tipleridir. Kalıplama sırasında mala yüzeyinin durumuna göre düz veya eğri yüzeyli olabilirler. Esas olarak böyle bir model dökülecek parçanın bir benzeridir. Ancak çeşitli toleranslar ve maça başları, modeli parça ölçüsü ve şeklinden biraz farklı kılar. Bu tip modeller genellikle ucuz olmasına rağmen çoğu durumlarda kalıp hazırlama işlemi yavaştır. Bu bakımdan sadece bir veya birkaç dökümün gerekli olduğu durumlarda kullanılır. Düz bir bölme yüzeyi oluşturacak şekilde bir altlığa yerleştirilemeyen basit şekilli ve düz yüzeyli tek parçalı bir model için kalıpçı elle düzensiz bir bölme yüzeyi oluşturmalıdır. Bu durum zaman israfı ve maliyet artışına sebep olacağı gibi kalifiye işçi de gerektirir. Bu zorluk özel altlık kullanılarak giderilebilir. Bunun için bir takoz, modelin bölme yüzeyi derinliği kadar oyulur ve model buraya yerleştirilir (Şekil 25). Böylece bölme yüzeyini altlık takozu oluşturur. Bu takozun yüzeyi eğri olabileceği gibi genellikle düzdür.
Şekil 25 - Özel altlıklı model ve kalıplama metodu
Şekil 26’da görüldüğü gibi eğri yüzeye sahip tek parçalı modeller takoz kullanılmadan kalıplanabilirler. Bu durumda mala yüzeyi el ile oluşturulur. Düzgün ve eğri yüzeyli tek parçalı modellerin farkı kalıplama sırasında oluşturulan bölme yüzeyi ile ortaya çıkar. Eğri yüzeyli tek parçalı modelleri bu şekilde kalıplayarak karmaşık kalıplama işlemleri basite indirgenmiş olabilir. İki parçalı modeller ile aynı görevi yapan tek parçalı modellerin imali daha ekonomiktir. Mala yüzeyinin el ile oluşturulması ise dezavantajındandır. İki parçalı modeller :Orta sayıda imal edilecek parçalar için iki parçalı modeller kullanılır. Bu modeller altlık kullanılmaksızın veya bölme yüzeyini elle oluşturmaya gerek kalmaksızın daha karmaşık şekillerin kalıplanmasını sağlarlar. Şekil 27’de gösterildiği gibi tek parçalı model, kalıbın bölme yüzeyini oluşturacak şekilde bir düzlem boyunca iki parçaya ayrılır. Modelin bir parçası kalıbın alt kısmındaki boşluğu, diğer yarısı üst yarı boşluğu oluşturur. Modelin alt yarısındaki merkezleme pimleri üst yarı modeldeki deliklere girerek kumun sıkıştırılması sırasında model yarılarını bir bütün şeklinde tutar.
29 Bu özellik modeli tek parça haline getirerek çok karmaşık şekillerin kalıplanmasını mümkün kılar. Bölme yüzeyi genellikle simetri ekseninden geçen düz bir hattır. Ancak simetrik olmayan parçaların modelleri hareketli bölme yüzeyine sahip olabilirler. Bu durumda bölme yüzeyleri kademeli düzenlenebilir.
Şekil 26 - Eğri yüzeyli tek parçalı model ve kalıplanması
Şekil 27 - İki parçalı basit bir model
Çok parçalı modeller : Eğer dökülecek parça ne tek parçalı ve ne de bir bölme yüzeyine sahip modelle kalıp kumundan çıkarılamayacak şekilde kademeli bir kesite sahipse bu durumda sökülebilir çok parçalı modeller kullanılır. Böyle bir model Şekil 28’de gösterilmiştir. Gevşek parçalar eğimli kanallar veya pimler ile model üzerine yerleştirilir. Bu konstrüksiyon gevşek parçalar kumda kalırken model gövdesinin çıkarılmasına müsaade eder. Gevşek parçalar model gövdesinden kalan boşluğa çekilerek çıkarılır. Eğer gevşek parçalar sabit pim veya kanallar vasıtasıyla modelin ana kısmına yerleştirilemezse uzun bir kaymalı pim kullanılabilir. Kum sıkıştırıldıktan sonra pim çekilir ve gevşek parçalar model gövdesinden serbest kaldığı için çıkarılmaları kolaylaşır. Açıkça görülebilir ki gevşek parçalı modeller imalat ve bakım açısından pahalı, kalıplama açısından yavaş ve masraflıdır. Bu modeller dolu kalıp ve hassas döküm yöntemleri hariç diğer yöntemlerle dökülemeyen karmaşık parçalar için kullanılır. Fakat bu tip modelleri gerektirmeyecek dizayn değişiklikleri daha pratik çözüm olabilir.
30
Şekil 28 - Çok parçalı ve sökülebilir modeller
Plakalı modeller, seri kalıplama makinalarıyla seri halde kalıplamaya uygunlukları sebebiyle modern dökümhanelerde yaygın olarak uygulama alanı bulurlar. Model alt ve üst yarıları ahşap veya metal bir plakanın üzerine ters taraftan ayrı ayrı bağlanır. Bu plakalar, üzerlerinde bulunan delikler yardımıyla kalıplama dereceleri üzerindeki pimlere oturtulurlar. Kalıp yarılarını oluşturmak üzere daha sonra kum derecelere doldurulur. Müteakiben her bir derece açılır, plaka çıkarılır ve kapalı kalıbı oluşturmak üzere bir merkezleme elemanı vasıtasıyla dereceler birbirleri üzerine yeniden yerleştirilir. Çoğu durumlarda gerekli yolluk ve çıkıcı sistemleri model plakası üzerinde mevcuttur. Böylece yolluk ve çıkıcının kesilmesi sırasında işçiliği azaltma ve herbir kalıp için üniformluk sağlayarak hata ihtimali azaltılır. Bu modellerden birkaçı bir plaka üzerine aynı anda yerleştirilebilir ve gerektiğinde maça başları da ihtiva ederler. Eğer çok sayıda parça imal edilecekse veya döküm oldukça büyükse tek bir plakanın iki tarafına model yarılarını yerleştirme yerine iki ayrı model plakasına bağlanmış model kullanmak gerekebilir. Bu durumda büyük kalıpların kolayca taşınması veya kalıp yarılarını ayrı ayrı makinalarda yapmak mümkün olabilir. Böyle modeller alt ve üst model olarak isimlendirilir. Alt ve üst model plakaları üst üste döküm içinde kullanılabilir. Üst üste kalıplamada bütün modellerle irtibatlı bir yolluk sistemi kullanılır ve her bir kalıp diğerinin üzerine yerleştirilir (Şekil 29 a). Kılavuz levhaları, düzensiz şekilli modellerin mala yüzeyini ayarlamaya yarayan bir başka levha çeşididir. Bu plakalar simetri plakası şeklindedir ve üzerine modelin yerleştirilmesi için bir delik ihtiva ederler.
31 Bu delik modelin ideal mala yüzeyinin ayarlanmasını sağlayacak şekilde büyük olmalıdır. Oval veya küre şeklindeki parçaların kalıplanmasında kullanılan bir kılavuz levhası Şekil 29.b’de gösterilmiştir. Üç boyutlu modellerin yerine bazen basit sıyırma plakaları kullanılabilir. Dökülecek parçanın şekli Şekil 30’da gösterildiği gibi eğri bir yüzeye sahipse, bu yüzey formunu verecek bir plakanın bir eksen etrafında döndürülmesi ile bu yüzey oluşturulabilir. Bu plakaların kullanılmasıyla büyük ve pahalı model yapımından kaçınılmış olunur. Ara yolluklu çoklu modeller: Bu modeller düşey bir ana yolluk etrafına ara yolluklarla bağlanmış modellerdir. Böylece bir kalıplamada birçok parça aynı anda kalıplanmış olur. Hızlı kalıplama yanında el ile yapılan yolluk sistemlerinde olabilecek muhtemel hatalar azaltılmış olur ve daha az ustalık gerektirir. Ayrıca büyük bir parça birkaç yerinden beslenecekse, bir ana yolluktan çevreye irtibatlı ara yolluklu modeller kullanılabilir (Şekil 31). Bir yolluk etrafındaki model sayısı kalıplama derecesi boyutu ve parçanın karmaşıklığı ile sınırlanır.
Şekil 29 - a - Üst üste kalıplama b - Kılavuz levhası ile kalıplama
32
Şekil 30- Sıyırma plakaları ile kalıplama
Şekil 31- Bir ana yolluk etrafına ara yolluklarla birleştirilmiş çoklu bir model
4. 2. 2. 4 - Modellerin renklerle kodlanması Parçalı modellerle maça başları ve sandıkları kolayca tanımak amacıyla çeşitli renklere boyanırlar. Renklerle kodlama çeşitli konstrüksiyonlar ve kullanılan modeller arasında bir ilişki kurar. Ancak kodlama sistemindeki renkler bütün dünyada standart olmayıp aynı anlamı taşımazlar.Fakat iletişimi sağlamak için standartlaştırma yolunda çalışmalar sürdürülmektedir. Renklerle şifrelemede model beş ayrı bileşenle tanımlanır. Bu şifre renkleri Türkiye’de yaygın olarak şu anlama gelirler: Siyah maça başlarını, kırmızı o parçanın dökme demirden; mavi, çelik dökümden döküleceğini gösterirken, hafif metallerden dökülecek modeller renksiz ve işlenecek kısımlar sarı renklerle gösterilir. Sarı / kırmızı çapraz şeritler genelde sökülebilir model parçalarının, sarı siyah çapraz şeritler ise diğer yardımcı kısımların işaretidir.
33 4. 2. 3 - Kum kalıbın hazırlanması Yukarıda açıklandığı şekilde parçanın modeli tamamlandıktan sonra imalat için ikinci safha olan kalıplama safhasına geçilir. Bütün dökümhanelerde, dökümhanenin bir bölümü kalıp hazırlama için ayrılmıştır. Bu bölümde kum kalıplar, elle veya makinalarla hazırlanır. Burada imal edilecek parça sayısı, şekli ve dökümhanenin kapasitesi önemli faktördür. Çok küçük dökümhanelerde veya dökülecek parça sayısının az olduğu durumlarda kalıplama el ile yapılır. Bu ise işçilik ve kalifiye eleman gerektiren zahmetli bir yoldur. Büyük kapasiteli ve seri imalat yapan dökümhaneler ise çeşitli tipte kalıplama makinası kullanırlar. Böylece daha iyi boyutsal hassasiyette parçalar imal edilirken aynı zamanda el ile kalıplamanın dezavantajları giderilmiş olur. Gerek elle ve gerekse makine da kalıplama için kalıplama kumunun hazırlanması gerekir. Daha önce özellikleri açıklanan kalıp kumu bir miktar su ile karıştırılarak şekil alabilecek duruma getirilir. Dökümün özelliğine göre çeşitli bağlayıcılar da ihtiva eden bu kuma kullanma kumu denir. Bu kum eski kuma % 20 - 50 yeni kum, % 5 - 15 taş kömürü tozu ve % 5 - 12 su ilave etmek suretiyle elde edilir. Kömür tozunun yanması ile açığa çıkan gazlar kalıp cidarının sıvı kütlesiyle temas etmesine mani olur ve dolaysıyla döküm parça yüzeyi daha temiz çıkar. Eski kum, döküm işleminden sonra bozulan kalıptan çıkan kumdur. Eski kumla karıştırılan yeni kum ise ocaktan gelen ve döküm işlemlerinde kullanılmamış kumdur. Kalıp hazırlama için gerekli olan kalıp levhası, derece ve pimleri gibi elemanlar da hazırlandıktan sonra kalıplamaya geçilir. Derece, sıkıştırılmış kalıp kumunu çevreleyen metal ve ahşaptan yapılmış çerçevelerdir. Bu derecelerin bir tarafında, kalıbın ters çevrilmesi sırasında kum kütlesinin düşmemesi için çepeçevre pervazlar vardır. Bazı dereceler yekpare oldukları halde bazıları (genellikle ahşap olanlar) en az iki köşesinden menteşelidir. 4. 2. 3. 1 - El ile kalıplama Yukarıda sayılan kalıplama ekipmanları yanısıra el ile kalıplamada diğer bazı kalıp hazırlama takımları gereklidir. Bunlar kum sıkıştırma tokmakları, gaz delikleri açmak için şişler, sıyırma cetvelleri ve kum elekleridir. Ayrıca kalıbın dökümden önce gerekli ise tamiri için gerekli küçük tamir takımlarına ihtiyaç duyulur. El ile kalıplamada bir model yarısı (pim delikli olan) kalıp levhası veya düz bir zemin üzerine yerleştirilir. Etrafına model ortada kalacak ve faturalı tarafı yukarı gelecek şekilde bir derece konur (Şekil 32).
34
Şekil 32 - Alt kalıbın hazırlanmasında ilk safha
Model üzerine çapak tozu tabir edilen ince bir silis tozu serpilerek modelin kuma yapışmaması için tedbir alınır. Takiben ince elekten elenmiş “model kumu” modelin üzerini 2 - 3 cm kalınlığında örtecek şekilde doldurulur. Derecenin kalan kısmı doluncaya kadar kullanma kumu ile doldurulur ve dövme takımlarıyla sıkıştırılır (Şekil 33 a). Dövme işlemi, kumun bir blok haline gelmesini sağlamaktadır. Ancak aşırı dövme ile kalıbın gaz geçirgenliği zayıflatılmış olur. Bu bakımdan kalıbı aşırı sıkı veya gevşek dövmek uygun değildir. Dövme işlemi tamamlandıktan sonra derecenin üzeri Şekil 33 b’de görüldüğü gibi sıyrılarak düzlenir. Sıyırma cetvelleri bir sac veya ahşap cetvel olabilir. Kalıbın gaz geçirgenliğini kolaylaştırmak için sıkıştırılmış kum bir şiş ile çeşitli yerlerinden şişlenir. Burada şişin modele değmemesine ve 3-4 cm uzakta kalmasına özen gösterilir. Böylece kalıbın bir yarısı tamamlanmıştır. Hazırlanan bu kalıp yarısı 180° ters çevrilerek, diğer model yarısı kum içinde gömülü bu model yarısı üzerine model pimleri yardımıyla birleştirilir. İkinci bir derece, derece merkezleme pimleri vasıtasıyla dolu derece üzerine yerleştirilir. Kumların birbirine ve bu model yarısının kuma yapışmaması için bölme yüzeyine silis tozu serpilir. Birinci kalıp yarısının yapılmasındaki safhalar aynen burada da tekrarlanır. Ancak burada, eğer model üzerinde yolluk ve çıkıcı parçaları yoksa özellikle düşey yolluk ve gerekiyorsa besleyici için birer model yerleştirilerek kum sıkıştırılmalıdır. Sıkıştırma sırasında bu modellerin hasar görmemesine ve yer değiştirmemelerine özen gösterilmelidir.
35
Şekil 33 – a) El dövme tokmağı b) Kalıp sıyırma ve hazırlanmış alt kalıp
Bu şekilde hazırlanan kalıp yarıları dereceler pimlerinden ayrılarak ters çevrilir ve modeller hafif sallanarak (takalama) bir ağaç vidası yardımıyla dik doğrultuda dikkatlice çıkarılır. Yatay yolluk yerleri açılır ve modelin çıkarılması sırasında kalıp cidarlarında herhangi bir tahribat olmuşsa çeşitli el takımlarıyla tamir edilir. Kullanılan kumun cinsine göre kalıp cidarları boyanır veya tamamı kurutulur. Boyama ile dökülen parçanın yüzeyinin daha düzgün çıkması sağlanmış olur. Eğer kalıp kamu cam suyu ile hazırlanmışsa CO2 işlemine tabi tutularak sertleştirilir. Basit ve tek parçalı bir modelin kalıplama safhaları Şekil 34’de gösterilmiştir. Eğer parçanın iç boşluğu varsa buna uygun olarak hazırlanmış ve kurutulmuş maçalar, maça başlarının meydana getirdiği boşluklara yerleştirilir. Sonra dereceler tekrar birbiri üzerine yolluklu derece üste gelecek şekilde merkezleme pimleriyle yerleştirilerek kalıp tamamlanır.
36
Şekil 34- Tek parçalı bir modelin kalıplama safhaları
37 Dereceler üzerine, sıvı metalin kaldırma etkisini karşılayacak miktarda ağırlık konularak döküm için hazır hale getirilir. Eğer düşey yolluklar açıkta kalacak şekilde kalıplar üst üste konursa en üst derece hariç üzerlerine ağırlık koymaya gerek kalmaz. Derece üzerine konulacak ağırlığın hesap yoluyla bulunması lazımdır. Fakat endüstride böyle bir yola gidilmeyip tecrübelere dayanılarak derece üzerine ağırlık yerleştirilmektedir. Bu ağırlığı hesaplamak oldukça basittir. K=p. A
(3)
eşitliğinde K; üst dereceyi kaldıran kuvvet, p ; mala yüzeyindeki hidrostatik basınç ve A ; kalıp boşluğunun mala yüzeyindeki izdüşümüdür. Mala yüzeyi üzerindeki hidrostatik basınç ise; p= γ . h
(4)
γ; 1 cm3 metalin ağırlığı (yoğunluk), h ise mala yüzeyi üzerindeki sıvı metal yüksekliğidir. Kalıp boşluğu tam manasıyla alt dereceyi işgal ediyorsa, mala yüzeyi ile yolluk içindeki metal seviyesi arasındaki mesafe h yüksekliğini temsil eder. Eğer kalıp boşluğunun bir kısmı üst derecede bulunursa h yüksekliğinin azalması icap eder. Fakat emniyet tedbiri olarak mala yüzeyi h yüksekliği için esas alınır. Üst dereceye konacak ağırlığı G ve üst derecenin kendi ağırlığını D ile ifade edersek G=K-D
(5)
şeklinde G ağırlığı tespit edilebilir. Kalıp içine akarak giren metalin meydana getireceği basınç daha fazla olacağından bir emniyet katsayısının alınması icap eder. Buda K değerini 1.5 - 2 misli alarak sağlanır. Modelin mala yüzeyi üzerindeki izdüşümleri yerine derecenin toplam alanını almakla emniyet daha da arttırılmış olur. 4.2.3.2-Makina ile kalıplama Kalıplama makinaları kumu sıkıştırma tarzına göre değişir. Kalıbı döndürme ve/veya taşıma için mekanik bir işlem gerekip gerekmediğine göre techiz edilirler. Kalıplama makinaları, basma, sarsma ve kum üfleme suretiyle kalıplama yaparlar. Bu tür makinalarla genellikle derecelerin arasına yerleştirilen bir plakalı model kullanılır. Bu modeller genellikle alüminyum veya magnezyum alaşımlarından yapılır. Kum birçok prensipten biri veya bunların bir kombinasyonu kullanılarak sıkıştırılır. Bu yöntemlerden birinde kum modelin üzerine dökülür ve derece Şekil 35’de gösterildiği gibi bir aşağı bir yukarı bir kaç kere kaldırılıp düşürülür. Kumun kendi kinetik enerjisi modelde optimum sıkıştırmayı sağlar. Sarsma tipi bu makinalarla bir parçalı plakalı modeller kullanılır.
38 Basma makinaları, ya hava ile çalışan bir sıkıştırma kafası, bir fleksibıl diyafram veya küçük bir sıkıştırma kafasının basma hareketi ile kumu sıkıştırır. Basma makinalarında kum başlığa yakın bölgelerde daha sıkı ve uzaklaştıkça azalan bir yoğunluğa sahiptir. Sarsma ve basma işleminin herbir kombinasyonu kullanılarak kalıp derinliğine kadar üniform bir yoğunluk elde etmek mümkündür. Üzerine plakalı modeller yerleştirilmiş dereceler makinanın tablasına bağlanır. Model üzerine ayırma tozu serpildikten sonra derece kum ile doldurulur. Alt derecede kumun model etrafına sıkıştırılması için tabla ile derece istenen sayıda sarsılır. Üst dereceye kum sıkıştırmak için basma kafası indirilerek basınç uygulanır. Alt ve üst kalıp yarıları, dereceler ters çevrilerek ve işlem tekrarlanarak aynı makine da kalıplanır. Alt ve üst kalıp yanları ayrı ayrı makinalarda iki parçalı model kullanarak ta yapılabilir. Çok küçük kalıplar hariç, sarsma-basma makinalarında ağır kalıpların ters düz edilmesi mekanik hareketle sağlanır. Kalıplama makinalarıyla kullanılan bazı modellerde yolluk sistemi de mevcuttur fakat yolluk genellikle elle yapılır. Derin olmayan bir yolluk başlığı daha ziyade sıkıştırma levhası üzerindeki bir çıkıntı ile şekillendirilir. Kalıp tamamlandıktan sonra döküm sırasında zarar görmemesi için dereceler çıkarılır. Bu durumda kumun dağılmaması için metal bir levha kalıbın etrafına yerleştirilebilir. Kalıplar üzerine ağırlıklar yerleştirilerek döküm safhasına geçilir. Seri üretimde kalıp hazırlama için kum sıkıştırma tarzının biri veya daha fazlasının seri şekilde yapabilen makinalar kullanılır. Yüksek basınçla çalışan bu makinalar plakalı model ve alt-üst derece kalıplayabilen otomatik makinalarıdır. Aşağıda çeşitli tip makinalarla kalıplama prensipleri gösterilmiştir. Alışılagelmiş kum kalıba dökümde elde edilenden daha hassas, detaylı ve daha ince kesitler istendiğinde değişik bir CO2 prosesi kullanılır. Sodyum silikat ile karıştırılmış kum metal model üzerine yaklaşık 25 mm kalınlığında sıkıştırılır ve gerisi normal kalıp kumu ile doldurulur. Kalıp sıkıştırıldıktan sonra metal modeldeki ventillere CO2 gazı gönderilir. Böylece kum sertleşerek birbirine bağlanır. Model kalıptan çıkarılır. Bu usül ince cidarlı ve derin parçalarda özellikle faydalıdır. Furfural gibi soğuk bağlayıcılarla karıştırılmış kum daha ziyade ince kesitli, derin ve büyük hassasiyet gerektiren parçaların makinalarla kalıplanmasında kullanılır.
39
Şekil 35 – Makine ile kalıplamada uygulanan çeşitli metotlar. (a) - Sarsma - basma makinalarında kalıplama prensibi (b) - Düz plaka ve esnek diyafram sıkıştırma makinaları ile elde edilen kum kalıplar (c) - Derece kullanmadan kalıp yapma metodu
Kalıbın mukavemetini arttırmak ve sıcak metalin kuma teması sırasında ortaya çıkan gaz miktarını azaltmak için kalıpların cidarı veya tamamı kurutulur. Çelik dökümünde kalıpların cidarı genellikle dökümden hemen önce kurutulur. Çünkü çelik dökümünde demir döküme nazaran çok daha yüksek sıcaklıklar sözkonusudur. Bu amaçla kullanılacak kalıplar yüzeyin refrakterliğini arttırmak için kurutmadan önce silika ile yıkanır. Cidar 12 - 13 mm kalınlığa kadar bir gaz torcu ile kurutulur. Cidar kurutma mutlaka düşünülüyorsa, kalıplama öncesi kuma melas, keten tohumu, makina yağı veya mısır unu gibi ilave bağlayıcılar katılmalıdır. Kurutma esnasında kalıbın çarpılma ihtimali yanında kurutulmuş kalıbın esnekliği nedeniyle parçalarda sıcak yırtılma tehlikesi mevcuttur.
40 Ağır parçaların kalıplanması büyük dereceler veya havuzlarda kalıplama makinaları kullanılarak yapılabilir. Bir çark ile donatılmış ve yüksek hızda kum püskürtebilen bir makina bu iş için kullanılabilir. Özen gösterildiği takdirde arzu edilen sertlikte üniform bir kalıp yoğunluğu elde edilir. Ekstra dövme pnomatik bir dövücü ile yapılabilir. Genellikle çok büyük parçalar zemindeki bir havuzda kalıplanabilir. Büyük kalıplar genellikle karmaşıktır ve kalıbın parçaları alt ve üst şeklinde döndürülemez. Ayrıca havuz kalıpların hazırlanması pahalıdır ve boyutsal değişimlerin azaltılması, mukavemet ve denge sağlamak gerekir. Bu sebepten kalıplar daha ziyade sıkıştırılmış ve kurutulmuş kum duvarların bir araya getirilmesi ile yapılır. Furan bağlayıcılarla yapılan duvarlar yaygın olarak kullanılır.
4. 2. 4 - Maçalar ve maça yapımı Döküm prosesinin belli avantajlarından biri delik veya boşluklu kesitlerin nispeten kolayca imal edilebilmesidir. Bu tür şekiller diğer imal usülleriyle çoğu zaman yapılamaz. Fakat böyle parçaların yapılabilmesi için iç kalıp olan maçaların kullanılması gerekir. Motor bloğu gibi kompleks parçalar dökümden başka bir imal usulüyle imal edilemez. Bu ve valf gövdeleri gibi içi boş parçalar için maçalardan yararlanılır. Şüphesiz, maçalar ilave bir masraf gerektirdiği için dizayncılar boşlukları maça kullanmadan üretmeyi veya aynı işi basit maçalarla sağlamayı düşünürler. Böyle bir uygulama, Şekil 36’da gösterilmiştir. Göbekteki delik bir kaç yolla yapılabilir. Mesela parça dolu olarak dökülür ve göbeğindeki delik talaşlı işleme ile yapılır. Fakat bu yol önemli oranda işleme maliyeti gerektirir ve malzeme kaybına neden olur. Öte yandan istenen ölçülere yakın boyutta dökülerek elde edilip çok az işleme ile nihai ölçülerine getirilebilir. Bu yol daha ekonomiktir. Şekil 36 b’de gösterildiği gibi parçalı bir model kullanılarak bu deliğin oluşumu sağlanabilir. Bunun için model içine yaş kalıp kumunun girebileceği konik bir delik ihtiva eder. Kalıplama sırasında bu deliklere sıkışan kalıp kumu kalıbın bir parçası olarak kalır ve maça olarak isimlendirilir. Bu durumda maça yaş kalıp kumundan yapılmış olduğundan “yaş kum maça” ismini alır. Ekonomik olduğundan maçalar genellikle yaş kalıp kumundan yapılır. Fakat bu maçaların mukavemetleri düşük olduğundan pratik değildirler. Ancak maçalar dökümden sonra deliklerden bozularak çıkartıldıklarından bu tür maçalar çıkarılma kolaylığı sağlar.
41
Şekil 36 - Bir döküm parçada dört ayrı delik oluşturma metodu.
Bazı durumlarda kuru kum maçalar kullanılır. Kum, yağ ve mısır unu gibi bazı cins bağlayıcılarla karıştırıldıktan sonra maçanın şekline sahip maça sandıklarına sıkıştırılır. Bu maça sandıkları genellikle maça başı denilen ve maçaların kalıp içine yerleştirilmesini sağlayan kısımları da ihtiva ederler. Devirme tip maça sandıkları yaygın olarak kullanılır. Kum, maça sandığına, üst yüzey seviyesine kadar sıkıştırılarak doldurulur. Peşinden sandığın üst yüzeyine bir metal levha yerleştirilir ve sandık levhanın üzerine ters çevrilerek maça levhaya bırakılır. Bazı maçalar iki parçalı sandıklarda yapılır. Sandık yarıları kapatılarak birbirine bağlanır. Maça kumu sandığa sıkıştırıldıktan sonra şekillenen maçanın çıkarılması için sandık açılır. Uzunlukları boyunca üniform bir kesite sahip maçalar et kıyma makinasına benzer bir maça ekstrüzyon makinası ile yapılır. Ekstrüzyon makinasından çıkan maçalar istenilen boyda kesilir ve sertleştirme için levhalara yerleştirilir. Çoğu durumlarda karıştırılmış kum Şekil 37’dekine benzer şekilde bir sistemle maça sandığına üflenir. Maça kumu temel olarak kalıp kumlarıyla aynı özelliklere sahip olmakla beraber etrafları sıvı metalle tamamen sarıldığından daha iyi özellikler taşımalıdır. Bunun için maça kumları çeşitli bağlayıcılarla karıştırılırlar. En eski ve yaygın olarak kullanılmakta olan maça yapma prosesinde bağlayıcı olarak nebati veya sentetik bir yağ kullanılır. Organik yağı polimerize etmek ve kum taneleri arasında kuvvetli bir bağ oluşturmak için pişirme gereklidir. Sıcak sandık yönteminde 200°C civarına ısıtılan maça sandığına kum üflenerek doldurulur ve maçanın yüzeyi polimerize olur. Böylece kırılma tehlikesi olmaksızın çıkarılan maça daha fazla pişirilebilir. Soğuk sandık prosesinde kumdaki reçineyi hemen polimerize eden organik bir gaz ile maça sandığı muamele edilir. Fakat gazlar çok zehirlidir.
42
Şekil 37- Kum üfleyerek maça imali
Günümüzde birçok maça, ısıtılmadan veya çok az ısıtılarak sertleşen ve pişirilmeye gerek duyulmayan bağlayıcılar ile (furan veya reçineler) yapılmaktadır. Sodyum silikat – CO2 prosesi ve kabuk kalıp metodu diğer alternatiflerdir. Kabuk maçalar içi boş olduklarından genellikle çok iyi geçirgenliğe sahiptirler. Bazı durumda maçalar yarım yarım yapılır ve pişirildikten veya sertleştirildikten sonra yapıştırılarak birbirine monte edilir. Sonra bunlara daha düzgün bir yüzey veya refraktörlük özelliği kazandırmak için ince bir kaplama yapılabilir. Kaplama malzemesi olarak grafit, silika veya mika kullanılır. Bu malzemeler maça üzerine püskürtülerek veya fırça ile sürülerek kaplanır. Fonksiyonlarını yerine getirmeleri için kuru kum maçalar aşağıdaki özellikleri taşımalıdır: 1- Sertleştirme öncesi taşımaya müsaade edecek derecede mukavemete sahip olmalıdır. 2- Taşımaya ve ergimiş metalin zorlamasına dayanıklılık için pişirme veya sertleştirilmeden sonra yeterli sertlik ve mukavemette olmalıdır. 3- Gazların kolayca kaçmasına müsaade edecek geçirgenlikte olmalıdır. 4- Dökümün çatlamasını önleme ve parçadan kolayca çıkma imkanı verme açısından katılaşmış metalin soğuması sırasında oluşan büzülmeye müsaade edecek şekilde esnek olmalıdır. 5- Uygun refraktörlükte olmalıdır. 6- Düzgün bir yüzeye sahip olmalıdır. 7- Döküm sırasında minimum gaz üretmelidir.
43 Taşıma ve döküm sırasında maruz kalacağı çeşitli zorlamalara direnç kazanması ve yeterli mukavemet için karmaşık maçalar teller veya çubuk iskeletler vasıtasıyla kuvvetlendirilirler. Çelik dökümü gibi önemli büzülmenin meydana geldiği durumlarda maçaların ortası boş yapılır veya içlerine saman doldurularak metalin katılaşma sırasında büzülmesine uygun şekilde esneklik kazanmaları sağlanır. Bütün küçük maçalar gazların kolayca kaçmasını sağlamak için ekseni boyunca delinmelidir. Delikler maça içine küçük teller sokularak veya yanan ve yandıktan sonra delikler bırakan maddeler kullanarak yapılabilir. Gaz kaçışını sağlamak için büyük maça ortalarına bazen kül veya kok yerleştirilir. Maçaların döküm kalıbına uygun pozisyonda yerleştirilmelerini sağlamak ve destek vermek amacıyla kalıpta oturma yüzeyleri açmak gereklidir. Bu yuvalar modeldeki maça başlarıyla oluşturulur. Şekil 38, yatay ve düşey bir maçanın yerleştirilmesi için gerekli maça başlarını göstermektedir. Maça başlarının şekli maça şeklinden bağımsız ve farklı olabilir. Genellikle silindirik, konik ve küresel şekle sahiptirler. Düşey şekilde yerleştirilecek maçaların iki taraftaki başı da farklı olabilir. Alt kalıpta silindirik olan maça başı üst kalıpta konik olursa kalıp kapama açma işlemi kolaylaşır.
Şekil 38 - Düşey ve yatay maça yerleştirmede maça ve maça başlarının pozisyonları
Silindirik yatay ve konik düşey maça başı uygulamaları Şekil 39’da gösterilmiştir. Konik maça başları için koni boyutları olarak Şekil 40.a’da verilen oranlar kullanılabilir. Küresel maça başları kör delik maçaları için kullanılır. Bu tip maça başları şamdan gibi mumun yerleştirildiği kör delikler ihtiva eden parçaların modellerinde yer alır (Şekil 40.b). Bazı durumlarda döküm dizaynı kalıp kenarlarında maçanın desteklenmesine müsaade etmez. Böyle durumlarda maça küçük metal desteklerle (sütunlar) desteklenebilir. Böylece maçanın sıvı metal tarafından itilmesi veya yüzdürülmesi önlenebilir. Şekil 40.c, bazı destekleri ve onların nasıl kullanıldığını göstermektedir.
44 Bu tür destekler döküm sırasında ergiyerek dökümün bir parçası haline geldiklerinden ve zayıflatma kaynağı olarak davranabildiklerinden, kullanımlarını mümkün olduğunca azaltmak gerekmektedir. Eğer kullanılmaları zorunlu ise döküm malzemesiyle aynı kimyasal bileşimde veya yakın bileşimde olmak durumundadırlar. Destekler hemen ergiyerek maçanın yüzmesine imkan vermeyecek şekilde büyük, öte yandan yüzeyi ergiyerek dökümle birleşecek kadar da küçük olmalıdır. Az sayıda dökülecek büyük ve karmaşık parçaların maçalar el ile yapılabilir. Böylece özel bir maça sandığı yapmaya gerek kalmaz. Ancak bu durumda kalifiye el işine ihtiyaç duyulur. Maça sandığı maliyeti ile işçilik maliyeti karşılaştırılarak optimum çözüm bulunmalıdır. Burada dökülecek parça sayısı önemli role sahiptir. Eğer parça sayısı fazla ve dizaynda maça yapımını kolaylaştıracak değişiklik yapılabiliyorsa maça sandığı kullanmak avantaj sağlar.
Şekil 39 -Basit bir silindirik maçanın yatay kalıplanması (a-d) ile silindirik ve konik maça başı ihtiva eden ve düşey kalıplanan bir maça (e)
45
Şekil 40- ( a ) - Konik maçabaşı boyutsal oranları, (b) - Kör delikler için kullanılan küresel maçabaşları, (c) - Maça destekleri ve kullanılması
4 . 2 . 5 - Sıvı metalin kalıp boşluğuna girişinin kontrolü ve yolluk sistemleri Ergimiş metalin kalıba gönderilmesi ve katılaşması, ısı transferi, ısı transferinin akış tipine etkisi ve geçiş kısımlarında sıvı metalin davranışını içine alan temel bir akışkan problemidir. Hatta sıvı metal kalıp boşluğuna ulaşmadan önce, her hangi bir gaz emilmesinden sakınmak çevrenin etkisine maruz kalmış sıvı metalin yüzeyinde oksitlerin oluşmasından kaçınmak veya sıvı metalin kirlenmesini önlemek için dikkatli olmak gereklidir. Bu etkilerin önemini iyice anlamak için Şekil 41’de gösterilen bir temel sistemi inceleyelim. Ergimiş metal yolluk başlığına dökülür ve düşey ve yatay yollukları katederek kalıp boşluğuna ulaşır. Çıkıcılar, büzülme sebebiyle doğacak metal ihtiyacını karşılamak için bir metal deposu gibi çalışır. Böyle bir yolluk sistemi basit gözükmesine rağmen dökümün kalitesi için dikkatli dizayn gerektirir.
46 4. 2. 5. 1 - Yolluk sistemleri Kum kalıba dökümlerde sıvı metalin kendi ağırlığı etkisiyle kalıba girmesi ve döküm parçalarında herhangi bir hataya sebep olmayacak şekilde kalıbı doldurması gerekir. Sıvı metalin kalıp boşluğuna gönderildiği kanallara yolluk denir. Bu yolluklar sıvı metali kalıp boşluğuna ulaştırırken meydana gelecek bazı olaylar döküm parçaların hatalı çıkmasına sebep olabilir. Bu bakımdan yolluk sistemleri dökülecek parçanın sıhhatiyle doğrudan ilgilidir. Yolluk sistemlerinin fonksiyonu; sıvı metali, atmosfer, kalıp veya oluşacak gazlarla aşırı derecede reaksiyona girmeden mümkün olduğu kadar sakin bir şekilde kalıba sokmaktır. İyi bir yolluk sistemi herhangi bir nedenle hapsolmuş oksit veya cürufu mümkün mertebe ortadan kaldıracak ve metali istenilen noktalarda kalıba boşaltılacak şekilde dizayn edilir. Bu fonksiyonların yerine getirilebilmesi için yolluk sistemleri,dökülecek parçanın durumuna göre çeşitli şekillerde dizayn edilirler. Ancak şekli ne olursa olsun bütün yolluk sistemlerinin görevi şöyle sıralanabilir:
Şekil 41 - Dökülmüş bir parça üzerinde bulunan yolluk elemanları ve çıkıcılar.
1 - Sıvı metalin kalıp boşluğuna eksiksiz dolmasını sağlamak (yeterli basıncı oluşturarak). 2 - Kalıp içine cüruf, oksit, gevşek kalıp kumu ve diğer pisliklerin girmesine mani olmak. 3 - Hava ve diğer gazların kalıba emilmesini önleyecek şekilde türbülanssız bir akış temin etmek. 4- Sıvı metalin etkisiyle kalıpta veya maçada meydana gelebilecek aşınmaları önlemek (ani çarpmalara mani olarak).
47 5 - Sıvı metalin hızını kontrol altında tutma imkanı vermek. 6- Isı kaybını önleyerek döküm sıcaklığının arttırılmasını gerektirmemek. 7- Yönlü katılaşmayı sağlayacak şekilde sıcaklık dağılımı temin etmek. 8- Kolay kalıplanır ve katılaştıktan sonra parçadan kolaylıkla ayrılacak şekilde dizayn edilmiş olmalıdır. Parçadan parçaya değişiklik gösteren ve yukarıdaki fonksiyonları yerine getirmesi gereken yolluk sistemlerinde genellikle düşey vaziyette tertiplenmiş ve sıvı metali yatay yolluğa ileten bir düşey yolluk ve düşey yolluk tabanı, düşey yolluktan gelen sıvı metali kalıp boşluğuna veya ara yolluklara sevk eden yatay yolluk ve uzantısı, yatay yolluktaki metali kalıp boşluğuna aktaran giriş yollukları bulunur (Şekil 42).
Şekil 42 - Kuma döküm için bir yolluk sistemi ve elemanları
Sıvı metalin yolluk birimlerinden akışının kontrol altında tutulması ve istenilen şekilde kalıp boşluğuna iletilmesi, meydana gelebilecek döküm hatalarını azaltmada çok önemli bir faktördür. Bu bakımdan yolluklar, sıvı metalin yolluk sistemlerinde akış prensiplerine uygun olarak dizayn edilmelidir. Kuma döküm yönteminde yer çekimiyle kalıba giren sıvı metalin akış hızı (V), düşme mesafesinin (h) kareköküyle orantılı olarak aşağıdaki şekilde artar: V = 4.43 h
(6)
Burada h (cm) alındığında, V( cm / s) olarak bulunur. Ergimiş metal yolluk sistemine türbülansı azaltacak veya Önleyecek bir şekilde gönderilmelidir. Aksi halde kalıp erozyonu ve gaz emilişi meydana gelir. Türbülanslı akış nedeniyle kalıp boşluğuna hava emilebilir.
48 Emme kısmen düşey yollukta meydana gelir ve düşey yolluğun konikleştirilmesi ile önemli oranda azaltılabilir. Yolluk sisteminin temel bileşeni olan düşey yolluklar pozitif ve ters eğimli veya eğimsiz olarak dizayn edilebilirler. Şekil 43’de bu üç durum açıklanmıştır. Şekil a ve c deki dizayn gaz emilmesi açısından oldukça kötüdür. Çünkü bu tür kesitler ergimiş metalin türbülansını kontrolden ziyade arttırır. Türbülansın ana sebebi sıvı metalin kalıp boşluğuna aniden düşmesidir. Bu şekildeki dizaynlar sıvı metalin bir miktar havayı emmesine izin verir. Şeklin b bölümünde gösterilen pozitif eğimli düşey yolluk kesiti türbülans kontrolünü en iyi şekilde sağlayan dizayndır. Şekil 44’de hava kontrolünün konik yollukla nasıl yapılabildiği gösterilmiştir.
Şekil 43 - Düşey yolluk dizaynında verilebilecek eğimler
Şekil 44- Düz ve konik düşey yolluklarda kalıba emilen havanın kontrolü
Esasen gaz emilmeyi önlemek maksadıyla, sıvı metalin bütün noktalarda yolluk enine kesitini tamamen doldurması gerekmektedir. Bu ise yolluk kesitinin parabolik olması halinde mümkün olmaktadır. Fakat düşey yollukların düz bir şekilde konikleştirilmesi çıkış kesitlerinin dolmasını sağlayabilir. Düşey yolluk çıkış kesitinin tamamen dolmasını sağlamak ve dolayısıyla gaz emişini önlemek için düşey yolluk dizaynında aşağıdaki bağıntı kullanılabilir. A2 / A1 = h1 / H
(7)
49 Burada A1 : düşey yolluğun girişteki kesit alanı, A2 yolluğun çıkıştaki kesit alanı, h1:başlık yüksekliği, h2 :yolluk yüksekliği. H: toplam yükseklik (H = h1-h2 ) tir (Şekil 45).
Şekil 45- Düşey yolluk boyutları
Hava, su buharı ve kalıptaki organik maddelerin sıvı metalin etkisiyle meydana getirdiği gazlar, gaz geçirgen yüzeylere sahip olan yolluklarda akan sıvı metal tarafından emilebilir. Emilen gaz miktarı kalıbın gaz geçirgenliğine, ergimiş metalin yoğunluğuna ve kalıp gazlarının basıncına bağlı olarak değişir. Gaz emilmesi sıvı metalin yatay kanala girişi sırasında da meydana gelebilir. Yatay yollukların düşey yolluklara irtibatları hiçbir zaman keskin sınırlı olamaz. Çünkü düşey yolluktan gelen sıvının akış yönünün ani değişimi ile sıvı metal yatay kanal girişini tamamen dolduramaz ve bu bölgeler alçak basınç bölgeleri olduğundan gaz emilişine sebep olurlar. Kalıp boşluğuna veya giriş yolluklarına açılan yatay yollukta meydana gelecek türbülansı önlemek için kesitinde ani geçişler ve keskin köşeler ihtiva etmemelidir. Köşeler akış hatlarına uyacak şekilde yuvarlatılmalıdır. Bu bölgede bir nevi kesit daralması olduğu için sıvı metalin hızı artar. İstenilen akış hızını elde etmek için (d) çapında bir kanalın gerektiği düşünülürse, metal sütununun bu kanalda daralmaması için girişin (r) yarıçapında yuvarlatılması gerekmektedir(Şekil 46). Deneysel sonuçlara göre D / d oranının yolluk sistemlerinde en büyük değeri 1.30 dur. Bu durumda D = 1.3 d ve r = 0.15 d olarak kabul edilir. Sıvı metali kalıp boşluğuna aktaran ara yolluklarda da gaz emilmesi olabilir. Bu bakımdan giriş kanallarının bunları önlemesi ve kalıp boşluğuna sakin bir şekilde soktuğu metali, yönlü katılaşmayı sağlayacak şekilde dağıtması gerekmektedir. Yatay yollukla giriş (ara) yolluk kavşaklarının uygun şekilde yuvarlatılması ve kesit alanlarının belli bir oranda ayarlanması gerekir. Kum kalıplarda ideal oran, 1: 4 : 4 şeklindedir.
50
Şekil 46 - Yatay geçişlerde köşelerin yuvarlatılması
Sıvı metalin gaz emmesine sebep olabilecek yolluk birimlerinden biri de düşey yolluk tabanıdır. Döküm başlangıcında yolluktan hızla çıkan sıvı metal yolluk altına çarparak bir hava boşluğu meydana getirir. Bu hava boşluğu yavaş yavaş parçalanarak metal içine hava kabarcıklarının girmesine sebep olur. Bu durumun önlenmesi için genişletilmiş ve kuyu tipi yolluk altları geliştirilmiştir (Şekil 47).
Şekil 47- Yolluk altı tipleri
Alışılagelmiş yolluk sistemlerinde Reynolds sayısı 2000 - 20000 arasındadır. (Reynolds sayısı, ataletin viskoz kuvvete oranıdır. Bu sayı arttıkça türbülanslı akışa meyil artar. Öte yandan bu sayının düşmesi laminer akışın doğmasına sebep olur). 2000 civarındaki Reynolds sayısı genellikle laminer akıştan türbülanslı akışa geçildiğini gösterir. Dökümde türbülanslı akışı gidermek zordur. Fakat doğru bir yolluk dizaynı ile bu türbülans minimuma indirilebilir. Sıvı metalin kalıp boşluğuna sürükleyeceği diğer safsızlıklar cüruf ve pisliklerdir. Yatay yolluk uzantısı, yatay yolluğa giren ilk metal için bir tuzak vazifesi görür.
51 Gevşek kum ve pislikleri beraberinde götüren ilk metal yatay yolluk uzantısında birikerek kalıp boşluğuna giremez. Sıvı metali yolluk sisteminde süzerek temizleyen diğer elemanlar da posa ve filtrelerdir. Filtre ve elekler çoğunlukla demir dışı alaşımlar için kullanılır. Yolluk sisteminde kirli metali süzerek temizleyen üç tip tutucu kullanılmaktadır. 1 - Yolluk altı veya kanala konulan çelik süzgeç veya iki elek teli arasına sıkıştırılmış çelik talaş. 2- Delikli maçalar 3 - Üst yüzeyleri dişli kanallar (testere kanallar). Demir dışı metallerin temizlenmesinde kullanılan bazı filtreler metal, mika ve fıberglastan yapılır. Bu filtrelerin doğru yerleştirilmesi temizliğin başarısı için önemlidir. Şekil 48, yolluk sistemi içine çeşitli süzme elemanlarının yerleştirme imkanlarını göstermektedir.
Şekil 48 - Yolluk sistemlerine perde yerleştirilmesinde bazı metotlar
Cüruflar özel dizayn edilmiş çeşitli tipteki girdaplı yolluklar veya yolluk başlığı vasıtası ile yüzeyde tutulabilir. Bu yolluklarda cüruf ve pislikler, düşey yolluktan hemen sonra yatay yolluk üzerine açılan bir girdap odası ve çıkıcıda toplanır. Bu çeşit yolluklarda merkezkaç kuvvet cürufun metalden ayrılmasını temin eder ve çıkıcı merkezine gönderir. Böylece yolluk ve döküm boşluğuna pislik girmesi önlenir. Çeşitli şekillerde tanzim edilen girdaplı yolluklar Şekil 49’da gösterilmiştir. Yolluk sistemlerinde ergimiş metalle kalıp boşluğunu tamamen doldurmak için yeterli basıncı sağlayabilecek yükseklikte yapılmış yolluk başlıklarına ihtiyaç vardır. Sıvı metal bu başlığa dökülerek yolluklar vasıtası ile kalıba gönderilir.
52 Yolluk başlıkları düşey yolluğun bir parçası gibi şekillendirilir. Yolluk ve başlığın birleşme yerinin yuvarlatılması ile akan metal miktarı % 35 oranında arttırılabilir. Başlıklar, huni ve havuz tipinde yapılmaktadır. Metaldeki girdabı önleme ve düzgün akış sağlama yönünden daha avantajlı olan havuz tipi başlıklardır. Bütün yolluk başlıkları emme kontrolünde etkili olmalarına rağmen huni tipi yolluk başlıkları diğerleri kadar etkili değildirler. Çünkü düşey yolluk içinde akımın düzgün olmasını sağlayamaz. Akan metaldeki girdabın önlenmesi ve temiz metalin kalıba girmesini sağlamak maksadıyla başlıklarla bazı gereçler kullanılabilir (Şekil 50). Bu gereçler ; tapa, tutma maçası (refrakter malzemeden), sifon (refrakter ) ve teneke levha (ergiyen) şeklinde sıralanabilir.
Şekil 49 - Çeşitli tipteki girdaplı yolluklar
53
Şekil 50- Yolluk başlıkları ve bunlarla kullanılan cüruf önleme elemanları
Sonuç olarak; dökümlerde mukavemeti azaltıcı yöndeki hatalar genellikle gaz boşlukları ve metal olmayan maddelerin döküm parçaya girmesi şeklinde ortaya çıkmaktadır. Bu hataların tamamen önlenebilmesi veya en aza indirilmesi yolluk dizaynıyla sıkı sıkıya ilişkilidir. Bu bakımdan dökülecek metalin cinsi, kalıplama tekniği ve döküm hacmine göre en uygun yolluk sisteminin seçilmesi veya düşünülmesi gereklidir. Yolluk sistemleri bütün kuma dökümlerde sıvı metalin gaz emmesini, cüruf ve pisliklerin döküme girmesini önleyecek ve ekonomik olacak şekilde dizayn edilmelidir. Bu nedenle düşey yolluklar hava emilmesini önleyecek şekilde konik olmalı, yatay yolluk sonları pislikleri hapsedecek şekilde uzun yapılmalıdır. Yolluk başlıkları dökümün cinsine göre pislik ve cürufları bertaraf edici elemanlarla takviye edilmeli, gerekirse yolluk sistemine filtreler yerleştirilmelidir. Yolluk sistemindeki bütün kavşaklar belli oranlarda yuvarlatılmalı ve döküm cinsine göre yolluk oranlarına uyulmalıdır. Çok temiz çıkması istenen dökümlerde cüruf önleyici bütün elemanlar aynı anda kullanılmalı, döküm maliyetini arttıracağı düşünülse de hatalı çıkacak bir veya birkaç döküm parçanın toplam maliyete etkisinden daha az etkili olacağı gözden ırak tutulmamalıdır. 4.2.5.1.1-Yolluk sistemi oranları Döküm tekniğinde düşey, yatay ve ara yolluk oranları denemeler ve karmaşık matematik işlemler ile tasarlanır. Bunun için düşey yolluk çıkış kısmı kesit alanı ve ara yolluklar kesit alanları toplamı mukayese edilir (Tablo 3). Alüminyum için tipik yolluk oranları 1: 2 : 3 tür. Bu durumda düşey yolluk tabanı kesiti 1 birimkare ve ara yolluklar toplam kesiti 3 birimkare olabilir.
54 Tablo 3-Çeşitli malzemeler için önerilen yolluk oranları
Basınçsız yolluk sistemleri tüm hafif metal dökümünde, basınçlı yolluk sistemleri ise ağır metal dökümünde kullanılır. Hafif metaller için basınçsız yolluk sisteminde kullanılan oranlar Şekil 51’de açıklanmıştır. Burada düşey yolluk çıkış kesit alanı A, yatay yolluk kesit alanı ve arayolluk toplam kesit alanı 2A dır. Yatay yolluktan giriş yolluklar ayrıldıktan hemen sonra yolluk kesitinin daraltılması gerekmektedir. Böylece sıvı metal kontrollü ve dengeli bir şekilde kalıp boşluğuna girer. Yatay yolluk sonunda, ergimiş metal içindeki safsızlıkları tutması için bir fazlalık bırakılır. Düşey yolluk tabanı, yolluk başlığı, yatay ve ara yolluk dizaynında mümkün olduğu kadar sıvı metal içindeki yabancı madde ve cüruf tutucular dikkate alınmalıdır. Daha önce de bahsedildiği gibi yolluk sistemleri, özetle aşağıdaki karakteristiklere sahip olmalıdır. 1 - Köşeler ve yolluk kesiti değişimleri keskin olmamalıdır. 2- Yolluk cidarında gevşek kum kalmamalıdır. 3 - Yolluk sistemi sıvı metalin hızını azaltacak şekilde yerleştirilmelidir. 4- Yolluk sistemi birim zamanda kalıp boşluğuna yeterli metal miktarı sağlamalıdır. 5 - Emme karakteristiği bütün yatay yolluklara yayılmalıdır. 6 - Katılaşma sırasında bir besleyici gibi davranmalıdır.
55
Şekil 51 - Yolluk sisteminde kesit oranlarının mukayesesi
4.2.5.1.2 - Basınçlı ve basınçsız yolluklar Yatay ve ara yolluklar, düşey yolluktan gelen sıvı metali kalıp boşluğuna iletir. Bu sistemde yolluk kesit alanları belli bir oran dahilinde ayarlanır. Bu oranlara göre basınçlı veya basınçsız yolluklar ortaya çıkar. Oranların belirlenmesinde toplam giriş yollukları ile yatay ve düşey yolluk çıkış alanlarının mukayesesi esas alınır. Bu oran Şekil 52’de gösterildiği gibi 1: 0.75: 0.5 şeklindedir. Azalan oranlar şeklindeki bu tür yolluk sistemleri basınçlı yolluk sistemleri olarak bilinir. Bu oranlar sadece üç kesit alanına karşılık gelen birim oranlardır. Bunlar tam oranları göstermezler. Mesela bunu temsil eden toplam oran 1: 1/2: 1/4, 2: 1: 1/2 veya 12: 6: 3 olabilir. Bu gruplar arasındaki oransal değerler aynıdır. Basınçlı yolluklar özellikle kır dökme demir gibi demir dökümler için kullanılır. Henüz ara yolluklara ulaşmadan önceki metalin yüksek akış hızı basınçlı yolluk sisteminin dezavantajıdır. Çünkü hızla akan metal muhtemelen kalıp yüzeyinde erozyona sebep olur.
Şekil 52 - Basınç ve basınçsız yolluklarda yolluk kesit alanı oranları
56 Basınçsız yolluk sistemlerinde sıvı metal hızı çok düşük olduğundan avantaj arz ederler. Sıvı metal yolluk sistemi boyunca yavaş hareket eder. Bu yolluk sistemi düşük türbülans ve büyük atmosferik basınç ile hafif metallerin dökümünde kullanılır. Ara yolluk sisteminde zıt basınç olmadığı için döküm işlemi esnasında metalin tamamını düşey ve yatay yolluklarda tutmak oldukça zordur. Bu bir dezavantaj olmasına rağmen alt kalıpta yatay yolluk üst kalıpta ise ara yolluklar dizayn ederek azaltılabilir. 4.2.5.1.3-Bernoulli teoremi Uygun şekilde dizayn edilen düşey yolluğun etkisi hakkında ilave bilgiler sağlanmıştır. İdealleştirilmiş yolluk sisteminde hız hesaplamak için uygulanan Bernoulli teoremi sistemin dizaynında yardımcı olur. Bu teorem standart teoremde bulunmayan enerji kayıplarını da içine alarak geliştirilmiştir. İdeal ve gerçek sistem arasındaki farkları gösteren Bernoulli teoremi en iyi yaklaşımı sağlamaktadır. Hatırlanacağı üzere Bernoulli teoremi aşağıdaki şekilde ifade edilmektedir. 2
2
( V1 / 2 g ) + ( p1 / γ ) + h1 = ( V2 / 2 g ) + ( p2 / γ ) + h2
(8)
Bu denklemde, V: metalin akış hızı, g : yerçekimi ivmesi, p : statik basınç, γ : metal yoğunluğu ve h: sıvı metal yüksekliğidir. Bu teoremin uygulanması aşağıda gösterilmiştir. Şekil 45’de gösterilen düşey yollukta, yolluk çıkış noktası A2’deki metal akış hızının hesaplanması mümkündür. Akış sırasındaki metal yüksekliği A1 noktasında kabul edilmiş ve yüksekliği A2 noktasından itibaren alınmıştır. 2gh ile verilen Toriçelli teoremi ile A1 noktasındaki hızın sıfır olduğu, bu noktanın hareketsiz oluşu ile kolayca tahmin edilebilir. Yerçekimi etkisinden başka etkiyen basınç olmadığından statik basınç 1 atm’e eşittir. A2 noktasındaki hız ise bilinmemektedir. Bu noktadaki yükseklik sıfır ve basınç yine 1 atm. dir. Buna göre A2 noktasındaki hız, ölçülen değerleri de kullanarak şöyle hesaplanabilir. A1 noktası
A2 noktası
pAI = 1 atm
pA2 = 1 atm
VA1= 0
VA 2=?
hA1,=30 cm
hA 2=0
57 Bernoulli teoremini uygularsak; 2
2
( V A1 / 2 g ) + ( p A1 / γ ) + h A1 = ( V A2 / 2 g ) + ( p A2 / γ ) + h A2 2
2
( V A2 / 2 g ) = ( V A1 / 2 g ) + ( p A1 / γ ) + h A1 − ( p A2 / γ ) − h A2 2
( V A2 / 2 g ) = ( 0 / 2 g ) + ( 1 / γ ) + 30 − ( 1 / γ ) − 0 2
( V A2 / 2 g ) = 30 V A2 = 30.2 g V A2 = 30.2.981 V A2 = 30 x 2 x981 V A2 = 58860 V A2 = 242.61 cm / s
Buradan A2 noktasındaki sıvı metal hızının yaklaşık 242.61 cm / s olduğu anlaşılır.
4. 2. 5. 1. 4 - Yolluktan akan metal miktarı Bernoulli denklemiyle tespit edilen akışkan hızı, süreklilik denkleminde değerlendirilerek belli bir kesitten akan metal miktarı hesaplanabilir. Süreklilik denklemi ; Q = A x V şeklinde ifade edilir. Burada Q : debi (cm3), A : kesit alanı (cm2) ve V: akışkan hızı (cm/ s)’dir. Şekil 45’de gösterilen A2 noktasından geçen akışkan hızı 242.61 cm / s bulunmuştur. Eğer bu noktadaki kesit bilinirse yolluk sistemindeki akış miktarı hesaplanabilir. Bu kesitin de yaklaşık 6 cm2 olduğu varsayılırsa saniyede geçen sıvı metal miktarı : Q=A x V= 6 x 242.61 = 1455.6 cm3 / s olarak bulunur. Bu denklemden yararlanarak kalıbın dolma zamanı; hız ve akış miktarı bilindiğinde de kanal kesiti hesaplanabilir. Şekil 53’de gösterildiği gibi akış miktarı sabit tutulduğunda kesit alanına bağlı olarak sıvı metal hızı değişir. Bu denklem her çeşit yolluk sistemlerinde kullanılabilir.
58 Süreklilik denklemi, Bernoulli ve Toriçelli teoremlerinin neticelerinin tahlili mutlak çözüme götürmez. Fakat yolluk sistemleri hakkında en sağlıklı yaklaşım bu teoremlerle yapılabilir. Belki gelecekte yolluk sistemindeki enerji kaybınıda içine alan Bernoulli teoremi ortaya konulabilir. Enerji kayıpları ile ilgili denkleme ilave edilebilecek terimler, viskozite etkisi, yolluk cidar durumu ve yolluk sistemindeki değişildikleri kapsayabilir.
Şekil 53- Kanal boyutunun metal akış hızına etkisi
4. 2. 5. 1. 5 - Isı akışı Temel akış problemine ilave olarak dikkate alınması gereken diğer bir nokta dökümden itibaren katılaşma tamamlanıncaya ve parça oda sıcaklığına soğuyuncaya kadar geçen süredeki ısı akışıdır. Sistemin farklı bölgelerinde ısı akışı karışık bir olaydır. Mesela ince cidarların dökümünde metal akış hızı erken soğuma ve katılaşmaya mani olacak derecede yüksek olmalıdır. Diğer taraftan akış hızı döküm işlemine zararlı etkileri olan aşırı türbülansa sebep olmayacak şekilde de düşük olmalıdır. Bu değişkenlerin bazıları dökümün kalitesiyle direk ilgilidir. 4. 2. 5. 2 – Çıkıcılar Çıkıcı veya besleyiciler parçanın katılaşması sırasında beslenmesi için gerekli metali sağlarlar. Basınçlı ve basınçsız yolluk sistemlerinin kendileri aynı zamanda bir besleyici vazifesi görürler. Kritik bazı noktalarda çeşitli şekillerde çıkıcılar kullanılır. Bazı çıkıcı tipleri Şekil 54’de gösterilmiştir. Dikdörtgen şekilli çıkıcıların hacimleri küçük olduğu için diğerlerine göre dezavantajlıdır.
59
Şekil 54- Uygulamada karşılaşılan çeşitli çıkıcılar
Çıkıcı seçiminde şekil, kütle yığılma durumu ve boyut gibi faktörler etkendir. Ayrıca çıkıcı hacmi ve kesit alanı çıkıcıdan transfer olan ısı miktarını belirlemede etkendir. N. Chvorinov çıkıcı hacmi ve alanını karşılaştırılarak çıkıcı içindeki metalin katılaşması için gerekli zamanı matematik bir modele bağlamıştır. Basitleştirilmiş bu formülde katılaşma zamanı T, V hacminin karesinin çıkıcı alanı A’nın karesine oranıyla tespit edilir. T = V 2 / A2
(9)
Bu bağıntı ideal çıkıcı şeklini belirler. Silindirik şekilli çıkıcılar en avantajlı çıkıcılardır ve küresel şekillerle kombine edilerek kullanılırlar. Üst çıkıcılar, yan çıkıcılar, konik ağızlı çıkıcılar, maçalı çıkıcılar, kör çıkıcılar, yalıtılmış çıkıcılar, geçirgen maçalı kör çıkıcılar ve ekzotermik parçalı çıkıcılar önemli çıkıcı tiplerini oluştururlar (Şekil 55). Ekzotermik parçalar çıkıcıdaki fazla ısıyı ve metalden kaçan ısıyı kullanarak metali sıcak tutarlar. Böylece yönlü katılaşmanın kontrolüne yardımcı olunur. Çıkıcılar dökümdeki kalın kesiti besleyecek şekilde yerleştirilmelidir. Kör çıkıcılar otomatik kalıplama durumunda büyük kolaylıklar sağlarlar. Bu çıkıcılar atmosfere açık çıkıcılardan daha küçük hacimli yapılabilir. Çünkü kalıp malzemesi bir yalıtıcı gibi davranacağından her tarafı kapalı bu çıkıcı daima sıcak kalır. Bu bakımdan yönlü katılaşmayı daha iyi temin eder. Çıkıcı gibi yönlü katılaşmanın kontrolünde kullanılan diğer bir yöntem soğutucu kullanmaktır. Çıkıcılar kullanılmadığı zaman, kalıpta kütleli bölgelere yerleştirilmiş soğutucular katılaşmada bir ısı absorbe kaynağı olarak davranır. Bu yapay çekirdek merkezine soğutucu denir. Soğutucular kütlelerine bağlı olarak döküm içinde genellikle ergimezler fakat iyi bir kaynak bağı oluşturarak parçayla bir bütünlük arzederler. Çeşitli tip soğutucular Şekil 56’da gösterilmiştir.
60
Şekil 55- Bazı yalıtıcı ve parçalarla kombine olmuş çıkıcılar
Şekil 56 - Kütleli bölgelerden ısı çekilmesinde kullanılan çeşitli şekillerdeki soğutucular.
Yolluk ve çıkıcılarla donatılmış ve döküm için hazır bir kalıp kesiti Şekil 57’de verilmiştir.
61
Şekil 57 - Yolluk ve çıkıcılarla donatılmış ve döküm için hazır bir kalıp kesiti.
4. 2. 5. 3 - Sıvı metalin akıcılığı Metal ve ısı akış karakteristiklerini birleştiren ve genel olarak kullanılan bir terim akıcılıktır. Ergimiş metalin kalıp boşluğunda akış kabiliyetini belirler (döküm kabiliyeti). Akıcılık viskozite ile ilgilidir. Ancak metal ve alaşımların karşılaştırılması maksadıyla dikkate değer birçok test geliştirilmiştir. Bu testler akıcılığın derecesini belirlemeye yöneliktir. Bir örneği Şekil 58’de gösterilen bu testte ergimiş metal, oda sıcaklığındaki bir kanal içine akıtılır. Belli bir yol aldıktan sonra metal katılaşır. Akışın durmasıyla anlaşılan bu katılaşma mesafesi akıcılığın bir ölçüsüdür. Bu uzunluk kalıp ve metalin termal özelliklerinin bir fonksiyonudur. Ayrıca, bu mesafe kalıp duvarı ve metal arasındaki arayüzeyin tabiatına bağlıdır. Bu faktörlere rağmen böyle testler faydalı ve gerçek döküm işlemini kabul edilebilir bir derecede simüle eder. Anlaşılacağı üzere başarılı bir döküm dizaynı için (özellikle yolluk ve çıkıcı ile ilgili dizayn) birçok faktörün dikkatli bir şekilde göz önüne alınması gereklidir. Akışkan ve ısı transferi konuyla sıkı sıkıya ilgilidir. Mevcut döküm pratiklerinin çoğu tecrübeye dayalı olmasına rağmen konuyla ilgili çok sayıda analitik ve deneysel çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmalar dökümün özellikleri ve döküm hataları açısından faydalıdır. Akıcılık spiral içinde katılaşmış metal uzunluğudur. Bu uzunluk arttıkça ergimiş metalin akıcılığı da artar.
62
Şekil 58 - Akıcılığın tespiti için spiral bir kum kalıp kullanılan bir test metodu.
5 - KABUK KALIBA DÖKÜM Günümüzde çok sayıda parça kabuk kalıba döküm yöntemiyle imal edilmektedir. Bu proses alışılagelmiş kum kalıplara dökümle elde edilenlerden daha iyi yüzey kalitesi ve daha iyi hassasiyet verirler. Ayrıca gerekli kalifiye işçiliğin düşük olması gibi önemli avantajlara sahiptir. Bir çok durumda işlem mekanize durumda yapılır. Bu özellikler prosesi özellikle seri üretim için uygun kılar. Bu proseste kalıp malzemesi kum ve % 2.5-4 oranında termosetting reçineden oluşmaktadır. Şekil 59’da gösterildiği gibi proses altı safhada tamamlanır. 1 - Kum ve termosetting bağlayıcı reçine karışımından oluşan kalıp malzemesi devirme kutusu içinde 150-370oC’ye ısıtılmış ve üzeri ayırma kumuyla kaplanmış metal bir model üzerine doldurulur ve birkaç dakika sıkıştırılır. Bu sırada modeldeki ısı yaklaşık 3.2 mm kalınlığındaki bir kum tabakasına pişirerek katı ve mukavim bir tabaka meydana getirir. Kalınlık model sıcaklığına ve temas zamanına bağlıdır. 2- Pişmemiş serbest kum kütlesini boşaltmak üzere model ters çevrilir. 3 - Model ve kısmen pişmiş kabuk, pişirme işlemini tamamlamak için bir kaç dakika bir fırına konur. 4- Sertleşmiş kabuk modelden çıkarılır. 5 - İki kalıp yarısı bu şekilde meydana getirildikten sonra, kalıbı oluşturmak için birlikte yapıştırılır veya bağlanır. 6 - Birleştirilmiş kalıp genellikle bir döküm derecesine yerleştirilir. Döküm sırasında fazladan destek sağlamak için kum veya diğer malzemelerle sıkıştırılır.
63
Şekil 59 - Kabuk kalıp prosesinin safhaları
Kabukta hemen hemen hiç çekme olmadığından kalıp modelle aynı boyutsal hassasiyete sahiptir. 0.08 - 0.13 mm’lik toleranslar kolaylıkla uygulanabilir. Reçine ile bağlanan kabuk kalıp kumu, normal döküm kumundan daha incedir. Böylece çok düzgün kabuk ve dolayısı ile döküm yüzeyi elde edilir. Dökümler arasındaki uyumluluk alışılagelmiş kuma döküm ile elde edilenden çok daha iyidir. Kabuk kalıp yapmada kullanılan makinalar, küçük operasyona uygun basit tiplerden, seri üretim için otomatik ve büyük tiplere kadar değişir. Metal bir modelin maliyeti kuşkusuz yüksektir ve dizayn sırasında yolluk ve besleyici sistemini düşünmek gerekir. Ayrıca çok miktarda pahalı bağlayıcılar gereklidir. Ancak ince bir kabuk oluşturmak için kullanılan malzeme miktarı azdır. Karmaşık parçalar düşük işçilik ile imal edilebilir. Kalıp tekniği ve kullanılan malzeme açısından pahalı işlem olmasına rağmen, düşük işleme maliyeti, daha iyi boyut hassasiyeti ve düzgün yüzeyler sağladığından orta miktardaki dökümler için proses ekonomik olabilir. İlave olarak döküm sırasında kabuk çok ısındığından ve reçine bağlayıcı yandığından bozma ve kırma işlemi kolaydır.
64 6- DOLU KALIP PROSESİ Sadece bir veya bir kaç döküm gerektiği zaman model yapma masrafı önemli bir faktördür. Dolu kalıp prosesinde normal kum kalıp yöntemindeki iki sakınca giderilmiştir. 1 - Eğer bir veya bir kaç döküm gerekiyorsa nispeten pahalı ahşap bir model hazırlama maliyeti azaltılmıştır. 2- Karmaşık bir parçanın imalinde, modelin kalıptan çıkarılma zorluğu yoktur. Dizayn ve kalıplama tarzında yapılması zorunlu değişiklikler çok azdır. Dolu kalıp prosesinde model polystyren’den yapılır ve döküm sırasında kalıpta bırakılır. Ergimiş metal döküldüğü zaman, ısı polystren modeli ani olarak buharlaştırır ve metal modelin buharlaştığı hacmine dolar (Şekil 60). Bu bakımdan prosese uçan veya buharlaşan model prosesi de denmektedir. Köpük şeklindeki polystren ucuzdur ve çok kolay işlenir. Yoğunluğu, sadece 15.4 kg/m3’dür. Birçok basit şekiller yapıştırılarak, yolluk başlığı, düşey yolluk ve besleyici sistemi ihtiva eden kompleks modeller yapılabilir. Model kumdan çıkarılmadığından koniklik vermeye gerek yoktur. Modelin etrafı bir derece içinde tamamen kum sıkıştırılarak doldurulur. Kum, özel bağlayıcı ihtiva edebilir veya sade döküm kumu olabilir. Sıkıştırma sırasında modelin ezilmemesine ve çarpılmamasına dikkat edilmelidir. Çeşitli kalıplama teknikleri kullanılabilir. Vakum dereceleri kullanılabileceği gibi, katı bir kabuk sağlamak için model refrakter bir bulamaçla kaplanabilir. Bu kabuk döküm sırasında gevşek kum ile desteklenebilir. Dolu kalıp prosesi, her boyuttaki parçalar için uygundur. Model maliyetinin düşük olması sebebiyle değişik boyutta karmaşık parçalar ekonomik bir şekilde bu prosesle imal edilebilir. Pahalı maça veya çok parçalı modeller gerektiren kompleks dökümler için de kullanılabilir. Son yıllarda bu yöntem büyük parça imal etme prosesi haline gelme eğilimindedir. Model yapımı için polystren küreleri, düşük basınçta ısıtılmış metal kalıp içine üflenir, genleşerek kalıbı doldurur ve ergir. Kalıp çok kompleks olabilir ve çok sayıda model hassas ve hızlı olarak üretilebilir.
Şekil 60 - Dolu kalıp prosesinin şematik prensibi
65 7 - SÜREKLİ KALIBA DÖKÜM YÖNTEMLERİ Kum kalıba döküm yönteminin iki büyük dezavantajı, her bir döküm için yeni bir kalıp yapma zorluğu ve boyutsal değişiklik ihtimalidir. Böyle olunca, sürekli kalıplara döküm yöntemleri geliştirilmiş ve önemli oranda başarı sağlanmıştır. Fakat, bu proseslerde dizayncılar tarafından dikkate alınması gereken önemli sınırlamalar vardır. Sürekli kalıba dökülen malzemeler, düşük ergime noktalı hafif metal ve alaşımları ile sınırlıdır. Ancak, sürekli kalıp yöntemi ile dökülen önemli oranda ferro dökümler mevcuttur. Kokil kalıp da denen sürekli kalıplar, yüksek sıcaklıkta sertlik ve mukavemete sahip, sıvı metalin erozyonuna ve değişken termal şartlara direnç gösterebilen metal veya grafitten yapılırlar. Sıvı metalin dökülmesi, soğuması ve kalıptan çıkarılması sırasındaki ani sıcaklık değişimleri termal yorulmaya sebep olur. Metal kalıplarda ısı transferi, bozulan kalıplara nazaran daha fazla olduğu için katılaşan metalin soğuma hızı yüksektir ve döküm parçanın tane yapısı ve dağılımı etkilenir. Kokil kalıp tekniği ile dökülecek parçalarda bu nokta dikkate alınmalıdır. Ayrıcı kum ve diğer bozulabilen kalıplardan farklı olarak metal kalıplar gazların kaçmasına müsaade etmezler ve gaz delikleri bırakmak zorunludur. Kokil kalıpla yapılan çeşitli döküm prosesleri aşağıda açıklanmıştır. 7. 1 - Demir dışı malzemelerin sürekli kalıba dökümü Sürekli kalıba dökümde, metali kalıp boşluğuna göndermek için nispeten düşük bir oranda sadece yer çekiminden faydalanılır. Metal yer çekimiyle gönderilmesine rağmen, bu yöntem de sürekli kalıba döküm yöntemidir. Sıvı metalin kalıp boşluğuna basınçla gönderildiği sürekli kalıba döküm yöntemleri özel isimler alır. Bu proseste, kalıplar genellikle ince taneli dökme demir veya çelikten, bronz, grafit veya refrakter metal alaşımları gibi malzemelerden yapılır. Genellikle alüminyum, mağnezyum veya bakır esaslı alaşımlar bu kalıplara dökülür. Fakat grafit kalıplar demir ve çelik dökümler için artarak kullanılmaktadır. Kalıp malzemesi seçimi, dökülecek metale bağlıdır. Bütün durumlarda kalıp boşluğu ve yolluk sistemi talaşlı şekillendirme ile yapılır. Kalıp yarılarının çabuk ve düzenli açılıp kapanması için menteşe ile bağlanabilir. Sürekli kalıplar dökümden önce ısıtılır ve böylece dökülen parçanın çok hızlı soğuması önlenir. Kalıp ömrünü arttırmak ve parçanın kalıba yapışmasını önlemek için, kalıp cidarlarını ince bir grafit ve refraktör ile kaplamak gereklidir. Böylece dökülen parçanın kalıptan çıkarılması kolaylaşır. Bu astarlar termal bariyer gibi davranarak dökümün soğuma hızını kontrol eder. İçi boş parçalar için, kum gibi bozulan veya kalıptan çekilebilen metal maçalar kullanılabilir.
66 Dökümden önce kalıp yarıları mekanik yollarla birbirine bağlanır ve sıvı metal yolluk sistemi vasıtasıyla kalıp boşluğuna gönderilir. Katılaşmadan sonra kalıp açılır ve parça çıkarılır. Prosesin çok avantajlı yönleri vardır. Kalıplar çok sayıda döküm için kullanılabilir. İyi yüzey kalitesi, dar boyutsal tolerans (0.13 - 0.25 mm) ve yüksek üretim hızı sağlanabilir. Bazen ilk yatırım masrafları fazla olmasına rağmen, proses mekanize olduğundan işçilik masrafları düşüktür. Kalıbın değişik kısımları ısıtılarak veya soğutularak veyahut kalıp cidar kalınlıkları değiştirilerek katılaşma kontrol edilebilir. Böylece parçaya arzu edilen özellikleri kazandırmak mümkündür. Hızlı soğuma genellikle kuma döküme göre daha mukavim parçaların dökülmesini sağlar. Prosesin negatif bir tarafı, genellikle düşük ergime noktalı alaşımlarla sınırlı olmasıdır. Eğer dökme demir veya çelik dökümü yapılırsa kalıp ömrü önemli oranda azalır. Düşük sıcaklıktaki metal dökümünde kalıp ömrü ergimiş metalin sebep olduğu erozyon ve termal yorulma ile etkilenir. Gerçek kalıp ömrü, dökülecek alaşımın sıcaklığı, kalıp malzemesi sıcaklığı ve konfigürasyonu ile değişir. Kalıbı karmaşık kılan dizayn ve rijit boşluklar büzülmeye büyük direnç gösterdiklerinden arzu edilmezler. Genel olarak katılaşmadan sonra kalıbı açmak ve parçayı hemen çıkarmak iyi bir uygulamadır. Böylece, müteakip soğuma sırasında meydana gelecek yırtılmalar önlenir. Kalıp geçirgen olmadığından gaz geçirgenliği için özel tedbirler alınmalıdır. Bu genellikle kalıp yarıları arasında hafif çentikler bırakarak veya sıkışmış havanın çıkmasına müsaade edebilecek fakat metal dolmayacak şekilde çok küçük tahliye delikleri ile gerçekleştirilebilir. Kalıp maliyeti genellikle yüksek miktardaki imalat için ekonomiktir. Kalıbı taşımak, metali dökmek ve parçayı çıkarmak için seri üretim makinaları kullanılır. Sürekli kalıba dökümde birçok yöntem vardır. Boşaltma dökümde, kalıp cidarlarında bir kabuk oluşturuluncaya kadar sıvı metalin kalıp içinde kalmasına müsaade edildiği ve arzu edilen kalınlık oluştuktan sonra katılaşmamış sıvı metalin kalıptan boşaltıldığı bir prosestir. Boşaltma dökümde, katılaşan kabuğun zamanla arttığı bilindiğinden boşaltma süresini ayarlayarak değişik cidar kalınlıkları elde edilebilir. Şamdan ve lamba duyları gibi süs eşyası ve dekoratif cisimler bu şekilde üretilir. Diğer bir çeşit kortias dökümdür. Bu yöntemde kalıp boşluğuna itilen bir piston kullanılır. Düşey bir deliğe yerleştirilen bu pistonla ergimiş metal kalıp cidarlarına doğru yönlendirilir. Pozitif basınç detayları meydana getirir.
67 8 - BASINÇLI DÖKÜM Bu proses, kokil kalıba dökümün geliştirilmiş bir şeklidir. Genellikle grafit kalıplar kullanılır. Sıvı metal kalıp boşluğuna basınçla gönderilir. Şekil 61’de gösterilen basınçlı veya düşük basınçlı sürekli kalıp prosesi vagon - otomobil jantları ve kaliteli çelik ingotların dökümünde yaygın olarak kullanılır. Kalıp dolduğu zaman bir piston düşey yolluğu kapatmak için aşağı doğru itilir. Böylece basınç azaldığı zaman sıvı metalin kalıp dışına sızması önlenir. Eğer talaş kaldırma yapılabilecekse ergiyebilen pistonlar kullanılabilir. Hava basıncı kontrol edilerek, kalıp türbülanssız bir şekilde tabandan doldurulabilir. Böylece gaz boşlukları ve cüruf oluşumu en aza indirilir. Üretim hızı genellikle yavaştır. Uygulanan basınç, sürekli olarak büzülmeyi karşılayacak metali sağlar ve besleme tüpündeki kullanılmayan sıvı metal basıncın kalkmasıyla pota içine kolayca dökülür. Müteakip dökümler için bu metal kullanılabildiğinden, verim % 90 veya daha fazladır.
Şekil 61 - Basınçla dökme prosesinin şematik prensibi ve bu yöntemle dökülmüş bir vagon tekerleği
8. 1 - Metal Kalıba Döküm Bu proses normal sürekli kalıba dökümden farklıdır ve ergimiş metal kalıp boşluğuna daha yüksek basınçla gönderilir. Katılaşma tamamlanıncaya kadar döküm basınç altında tutulur. Uygulanan basınç 0.7 - 700 MPa arasındadır.
68 Bu yüksek basınç, kullanılan metal kalıp yarılarının birbirine bağlanması gerektiğini ifade eder. Bu usulde kullanılan makinalar, soğuk ve sıcak hazneli olmak üzere iki tiptir. Metal kalıba döküm, genellikle kurşun, kalay, çinko, alüminyum, mağnezyum ve bakır gibi demir dışı metal ve alaşımların dökümünde uygulanır. Fakat günümüzde önemli miktarda demir esaslı dökümler üretilmektedir. Kalıp ve basıncın iyi kombinasyonu sebebiyle, ince kesitler ve detaylar başarılı bir şekilde imal edilebilir. Metal kalıba döküm için çok iyi özelliklere sahip çinko, bakır ve alüminyum esaslı özel alaşımlar geliştirilmiştir. Dolayısıyla prosesin kullanımı çok yaygın hale gelmiştir. Metal kalıplar genellikle sertleştirilmiş çelikten yapıldıklarından pahalıdırlar. Bu kalıplar, tek veya iki boşluk ihtiva eden nispeten basit şekilli olabilecekleri gibi sekiz veya daha fazla boşluğu olan kompleks şekilli de olabilirler (Şekil 62).
Şekil 62 - Yaygın olarak kullanılan metalsel kalıp tipleri
Parçaları çıkarmak için kalıpları açmak üzere kalıp en az iki parçalı yapılmalıdır. Fakat bu kalıplar, daha ziyade çok daha komplike ve çeşitli yönlere hareket edebilen kesitlere sahiptirler. İlave olarak, kalıplar soğutma suyu kanalları ve dökülmüş parçayı çıkarmak için itici pimler ihtiva etmelidir. Bu şekildeki kalıplar genellikle 3 000 $, hatta 10 000 $ üzerinde maliyete sahiptir. Metal kalıpların ekonomik kullanımı, yüksek üretim hızları, elde edilen çok
69 iyi yüzey kalitesi ve hemen hemen ihtiyaç duyulmayan işleme ile yakından ilgilidir. Yüksek ergime dereceli alaşımların dökümünde, makinanın ve kalıbın ömürleri ile ilgili problemler ortaya çıkabilir. Bu yöntemle yaklaşık 9 kg ağırlık ve 610 mm boyutundaki parçalar rutin olarak dökülür. Metal kalıba döküm aşağıdaki safhalardan oluşur : 1 - Kalıbı kapama ve kilitleme 2 - Metali kalıp boşluğuna gönderme ve basıncı devam ettirme 3 - Metal katılaşıncaya kadar bekleme 4- Kalıbı açma 5 - Parçayı çıkarma Yüksek enjeksiyon basınçları türbülansa ve hava sıkışmasına sebep olabildiği için uygulanan basıncın miktarı ve zamanı dikkate değer bir şekilde değişir. Son yıllarda düşük basınç ve geniş yollukların kullanılma eğilimi artmıştır. Kalıp tamamen dolduktan ve metal katılaşmaya başladıktan sonra, çok daha fazla basınç uygulanır. Böylece yoğunluk yükseltilebilirken gözeneklilik azalır. Döküm parçanın şekli müsaade ediyorsa, parça dövme sıcaklığına soğuduğunda, çok yüksek bir yarı dövme basıncı uygulanabilir. Sıcak ve soğuk hazneli olmak üzere iki tip basınçlı döküm makinası mevcuttur. Sıcak hazneli makinalar (Şekil 63), belli bir hacimdeki sıvı metali alan ve onu kalıp boşluğuna 15 MPa civarında bir basınçla iten bir pistona sahiptir.
Şekil 63 - Genellikle düşük ergime dereceli metallerin dökümünde kullanılan sıcak hazne prensibi
70 Şekil 64, sıcak hazneli veya ‘Deve boyunlu” bir makinayı şematik olarak göstermektedir. Deve boynu, ergimiş metal içine kısmen dalmış durumdadır ve makinanın her bir kursunda ergimiş metal deve boynuna dolar.
Şekil 64- Çinko alaşımı döken sıcak hazneli bir makina örneği (Şematik)
Buradaki sıvı metal, mekanik veya pnömatik olarak tahrik edilen bir piston tarafından kalıp boşluğuna itilir. Bu tip makinalar hızlı çalışır ve metal enjeksiyonunun metalin ergitildiği potadan yapılması gibi üstünlüğe sahiptir. Düşük ergime dereceli metaller bu usulle dökülür. Pirinç ve bronz gibi yüksek ergime derecesine sahip metaller için kullanılamazlar ve alüminyum alaşımları döküldüğünde aşınarak makina ekipmanlarından ayrılan demir alüminyuma karışır. Sonuçta sıcak hazneli makinalar özellikle çinko ve kalay esaslı alaşımlar için daha uygundur. Şekil 65’de gösterilen soğuk hazneli makinalarda, enjeksiyon silindiri bir kepçe vasıtasıyla ergimiş metal ile doldurulur. Doldurulan bu metal sıcak hazne yönteminden on kat daha fazla bir basınçla kalıp boşluğuna itilir. Bu sistemde metal ayrı bir fırında ergitilir ve makinaya taşınır. Basınç silindiri hidrolik bir tahrikle çalışılır. Bu prosesle alüminyum, mağnezyum ve bakır alaşımları gibi yüksek ergime dereceli metaller yaygın olarak dökülür. Yüksek kaliteli parçaların üretimi basınç kontrol edilerek sağlanabilir. Her bir parça için gerekli metalin kalıp boşluğuna ayrı ayrı gönderilmesi nedeniyle, bu makinalar sıcak haznelilere göre daha uzun çalışma çevrimine sahiptir. Buna rağmen verimlilik yüksektir ve 100 parça / dakika alışılmış bir hızdır. Metal, kalıplara çok hızlı doldurulduğundan kalıp boşluğundaki havanın kaçması için az bir zaman kalır. Metal kalıplar geçirgenliğe sahip olmadıklarından, hava delikleri, eksik katılaşma ve gözenek gibi sıkışmış havanın sebep olduğu problemlerle oldukça sık karşılaşılır. Bu durumu minimuma indirmek için bölme yüzeyindeki geniş ve ince (0.13 mm) delikler vasıtasıyla kalıpların havası düzenli olarak alınmalıdır.
71
Şekil 65- Soğuk hazneli bir basınçlı döküm makinasının şematik diyagramı
Bu deliklere metal dolarsa parça kalıptan çıkarıldıktan sonra uçları kesilerek temizlenmelidir. Bu işlem ise yolluk ve çıkıcı kesme makinaları ile yapılır. Sıkışmış hava ve metalin türbülanslı dolması yüzünden bu yöntemle sağlam parça imal etmek zordur. Fakat gözenekler genellikle kesit ortasında toplanır. Hızlı katılaşmış yüzeyler genellikle kaplama ve dekoratif uygulamalar için daha uygundur. Nispeten yeni olan gözeneksiz döküm prosesinde bu tür problemler, metal kalıba dökülmeden önce kalıp boşluğuna oksijen gönderilerek giderilmektedir. Ergimiş metal enjekte edildiğinde oksijenle reaksiyona girerek ince dağılmış oksit parçacıkları oluşturur ve böylece gaz boşlukları elimine edilir. Bu proseste dökülen parçalar kaynak edilebilir, ısıl işleme tabi tutulabilir ve alışılagelmiş metal kalıba döküm prosesine göre daha yüksek üretim hızıyla daha mukavim, yüksek kaliteli, iyi yüzey detaylı ve boyutsal hassasiyetli olması sağlanır. Bu proses, halen alüminyum, çinko ve kurşun alaşımlarının dökümünde kullanılmaktadır. Yüksek basınç ve akış hızından dolayı parçalanması veya aşırı metal absorbe etmesi sebebiyle kum maçalar bu yöntemde kullanılmaz. Bunların yerine yaygın olarak metal maçalar kullanılır ve genellikle parçanın çıkarılması için kalıp açılmadan önce geri çekilmelidir. Metalin kalıp birleşme yüzeylerinden fışkırmasını önlemek için maçalarla kalıp kesitleri ve kalıp bölme yüzeyinde iyi temas sağlanması gerektiğinden maçaların kullanılması konstrüksiyon ve bakım maliyetini arttırır. Maça çıkarma hareketlerinin doğrusal veya dairesel olması oldukça önemlidir. Öte yandan gerektiğinde gevşek maça parçaları her bir döküm başlangıcında kalıba yerleştirilebilir ve dökümden sonra parçadan çıkarılır. Böyle bir yol iç yüzeyleri girintili çıkıntılı olan parçaların imalini mümkün kılar fakat üretim hızında dikkate değer bir azalma olurken maliyetlerde artma görülür.
72
Bu metotla üretilen parçalar belli bazı üstün özellikler taşır. Metal kalıbın ergimiş metali hızlı soğutma etkisiyle yüzeyler iç kısımlara oranla daha serttirler. Fakat sıkışmış hava nedeniyle iç kesitlerde boşluk oluşma ihtimali vardır. Bu durum, düzenli metal akışı, hava tahliyesi ve uygun süreyle uygun basınç kullanarak en aza indirilebilir. Uygun parça ve kalıp dizaynı, bakım, uygun yöntem ve iyi ekipman çok iyi kalitede parça imalini sağlar.Ekipman masrafları yüksek olmasına rağmen işçilik masrafları genel olarak düşüktür (Şekil 66). Özel taşıma yüzeyleri oluşturmak, saplama, burç ve farklı metalden parçaları, ana parçayla birlikte dökmek mümkündür. Bu gibi parçalar, kalıp kapanmadan ve metal enjekte edilmeden önce kalıp içine uygun pozisyonlarda yerleştirilmelidir. Bu gibi ilavelerin sözkonusu olduğu kalıplarda, uygun dayanaklar sağlanmalı ve döküm yavaş yapılmalıdır. Metal kalıba dökümle çok iyi boyutsal hassasiyet elde edilebilir. Alüminyum, mağnezyum, çinko ve bakır esaslı alaşımlar için 25 mm boyda ± 0.075 mm’lik lineer toleranslar sağlanabilir. Minimum kesit kalınlığı ve koniklik, Tablo 4’de görüldüğü gibi metalin cinsine bağlı olarak değişir.
Şekil 66-Metal kalıba döküm makinasının şematiği
73
74
Çok iyi boyutsal hassasiyet ve düzgün yüzeyler elde edilebilmesi sebebiyle, çoğu metal kalıba dökülmüş parçalar deliklerin havşalanması veya muhtemel delme işlemleri, köşelerin yuvarlatılması, fışkırtmaların ve çapakların alınması gibi çok az miktarda işlemeyi gerektiren durumlar hariç, işleme gerektirmezler. Üretim hızları yüksektir ve bir tek kalıpla, boyutlarda önemli bir değişiklik olmadan binlerce parça üretilebilir. Tablo 5’de bu yöntemin yaygın uygulamaları verilmiştir.
9 - SAVURMA (Santrifüj) DÖKÜM İsminden de anlaşılacağı gibi, bu işlemde ergimiş metali kalıp boşluğunda şekillendirmek için kalıbın döndürülmesi neticesinde oluşan santrifüj kuvvetlerden faydalanılır. Savurma dökümde, ergimiş metal dökülürken kalıp ekseni etrafında 300 -3000 dev./dak. hızla döner ve oluşan santrifüj kuvvetin etkisiyle sıvı metal kalıbın cidarlarına doğru savrulur. Böylece kalıbın şeklini alır ve katılaşır. Savurma dökümün tam, yarı ve santrifüjleme olmak üzere üç tipi vardır. Tam savurma dökümde, borular gibi içi boş ve silindirik şekiller Şekil 67’de gösterilen teknikle üretilir. Metal veya kuru kum kalıp yatay veya düşey eksen etrafında döndürülürken dökülen parçanın şeklini belirler. Bu proses, üniform ve kaliteli parçalar üretir. Silindirik şekilli parçalar çok yaygın dökülebilmesine rağmen köşeli veya simetrik fakat dış şekli değişik geometrilerde parçalar da dökülebilir. Santrifüj kuvvetlerin etkisiyle ergimiş metalin üniform bir şekilde dağılması, iç yüzeylerin tam silindirik olmasını sağlar. Bu silindirik iç boşluğu oluşturmak için maçaya ihtiyaç duyulmaz. Eğer düşey eksen kullanılırsa iç yüzey parabolik bir kesitte olabilir (Şekil 68). Fakat iç şeklin formu dönme hızının bir fonksiyonudur. Tam savurma dökümde sıvı metal kalıp cidarına doğru savrulur ve orada hızlıca katılaşır. Böylece metal olmayan hafif safsızlıklar iç yüzeylerde kalır ve yoğun bir yapı elde edilir. Bu safsızlıklar gerektiğinde basit bir işleme ile kolayca temizlenebilir.
75 Bu metot ile seri halde boru, basınçlı kaplar, silindir gömlekleri ve fren kampanaları üretilmektedir. Gerekli olan ekipmanlar özeldir ve büyük dökümler için pahalıdır. Fakat küçük parçalar için basit ve ucuz ekipmanlar kullanılır. Bu metotta kullanılan kalıplar, kısmen pahalı fakat uzun ömürlüdür. Demir alaşımları döküldüğünde kalıp ömrünü arttırmak için dökümden önce kalıplar bazı refraktörler ile kaplanır veya sıvanır. Yolluk, çıkıcı veya besleyici kullanılmadığından, verim % 90 veya daha fazla olabilir. Ayrıca bir metal üzerine ikinci bir alaşımı kaplayarak kompozit parça üretmekte mümkündür.
Şekil 67 - Yatay bir savurma döküm makinasının şematik hali
Şekil 68 - İç yüzeyin şekline dönme hızının etkisini gösteren düşey bir savurma döküm. A paraboloidi hızlı, B paraboloidi ise yavaş dönme neticesinde oluşur.
Bazı durumlarda yan santrifüj döküm kullanarak Şekil 69’da gösterilen kollu kasnaklar gibi dönel simetriye sahip parçalar dökülebilir. Bu durumda santrifüj kuvvet ergimiş metalin bir ana yolluktan, simetrik şekilde dizilmiş kalıplara dolmasını sağlar. Uygulanan dönme hızı tam santrifüj dökümünkinden önemli oranda düşüktür. Aynı tip bir çok kalıp bir ana yolluk etrafına ara yolluklar vasıtasıyla bağlanır. Döküm katılaşıncaya kadar içinde ergimiş metal kalacak şekilde ana yolluğun yeteri genişlikte olması gereklidir. Hafif safsızlıklar iç tarafta birikeceğinden proses, iç cidarı işlenerek atılacak parçalar için idealdir.
76 Santrifüjlemede herhangi bir şekildeki kalıp boşluğu dönme ekseninden belli uzaklıkta yerleştirilir ve ergimiş metal merkezden dökülür. Nispeten düşük dönme hızları ile orta yüksek verimlilikte mukavim parçalar imal edilebilen ve seyrek kullanılan bir yöntemdir (Şekil 70).
Şekil 69 - Yarı savurma döküm işlemi (şematik)
10 - TAZYİKLİ DÖKÜM Bu proses yüksek basınç altında katılaşmanın sağlandığı nispeten yeni bir prosestir (Şekil 71). Sistem bir kalıp, zımba ve itici pimden oluşur. Zımbayla uygulanan basınç metal - kalıp arayüzeyindeki sıkı bir temas sağlayarak hızlı ısı transferini teşvik eder. Böylece, döküm iyi mekanik özelliklerle, ince bir mikroyapıya sahip olur. Demir veya demir dışı metal veya alaşımlardan karmaşık geometrili parçalar ince detaylarına kadar hemen hemen nihai boyutlarıyla imal edilebilir. Otomobil jantları ve havan topu gövdeleri örnek olarak verilebilir. Bu yöntemde kullanılan basınç soğuk veya sıcak dövmede gerekli olandan daha azdır.
77
Şekil 70 - Santrifüj prosesi ile döküm metodu
Şekil 71 - Tazyikli dökümde imalat safhaları. 1960’larda geliştirilen bu proses dövme ve dökümün avantajlarını bir araya getirmiştir. Şekilde sargı olarak gösterildiği üzere ergitme indüksiyonla yapılır
11 - ALÇI KALIBA DÖKÜM Bu proseste kalıp alçıdan yapılır. Alçının katılaşma zamanını kontrol etmek, çatlamayı önlemek ve mukavemetini arttırmak için yaklaşık % 25 asbest fıberi, pudra ve silika unu, kaolin ve mağnezyum oksit ilave edilir. Kireç veya çimento, pişirme sırasında genleşmeyi kontrol etmek için ilave edilir. Alçıyla birlikte bu malzemeler su ile karıştırılır ve meydana gelen ince çamur model üzerine dökülür. Katılaşma sağlandıktan sonra model çıkarılır ve bu kalıp yarısı 200°C civarında kurutulur. Bu şekilde üretilen kalıp yarıları monte edilir. Kalıbı desteklemek için kumla çevrelenerek döküme hazır hale getirilir. Kalıp yarıları oluşturulurken gerekli yolluk ve besleyici de yerleştirilmelidir. Hazırlanmış ve kumla desteklenmiş kalıba sıvı
metal
dökülerek
parça
elde
edilir.
Alçı
kalıp
yaklaşık
1200°C’ye
dayanabildiğinden, daha yüksek ergime dereceli malzemelerin dökümünde kullanılmaz.
ancak
78 Bu proses sadece alüminyum, magnezyum, çinko ve bazı bakır esaslı alaşımların dökümünde kullanılır. Alçı kalıba dökülen parçalar ince detaylı ve iyi yüzey kalitesine sahip olabilirler. Kalıbın düşük büzülmesi nedeniyle iyi boyutsal hassasiyet sağlandığından seramik kalıp ve hassas (Investment) döküm şeklinde de kullanılır. 12 - SERAMİK KALIBA DÖKÜM (Shaw prosesi) Bu proses, alçı kalıba döküm usulüne benzer. Fakat arzu edilen düzgünlükte kalıp cidarı ve iyi bir geçirgenlik elde etmek alçı kalıpta oldukça zordur. Ayrıca 1200oC’den yüksek ergime derecesine sahip malzemeler bu yöntemle rahatlıkla dökülebilir. Bu işlemde kalıp malzemesi olarak ince öğütülmüş zirkon (ZrSiO4), alüminyum oksit (Al2O3) ve sıvı silika (SiO2) gibi agregatların karışımı kullanılır. Bu refraktör malzemeler çeşitli bağlayıcılarla karıştırıldıktan sonra model üzerine dökülür. Bu karışım model üzerinden çıkarılmaya müsait süngerimsi bir jöle oluşturur. Model üzerinden çıkarıldıktan sonra, ateş kili ile muamele edilerek mukavemet kazandırılır ve monte edilir. Kalıp, bileşimindeki uçucu maddeleri gidermek için pişirilir. Fırında kızıl hale gelinceye kadar pişirme işlemi devam eder. Neticede kalıp rijit ve sert hale gelir. Fakat yüzeydeki ince tabakada bir takım çatlaklar oluşur. Bu mikro çatlaklar, soğuma ile derinlere ilerleyerek alt kısımlarda geçirgenliği sağlayacak ve katılaşan metalin büzülmesine yardımcı olacak diğer çatlakları üretir. Bu proses geniş bir boyut aralığı, iyi yüzey kalitesi ve tamlık ile ince detaylı demir dökümü ve diğer yüksek ergime dereceli alaşımların dökümünde kullanılabilir. 25 mm’lik boyda; 0.051 - 0.25 mm’lik boyutsal toleranslarla çalışılabilir. Kalıplar tek veya çok parçalıdır. Bu durum modelin tipine ve karmaşıklığına bağlıdır. Maçalar, kuma dökümdeki gibi, bu ve diğer alçı kalıp proseslerinde de kullanılabilir. Fakat genel bir kural olarak alçı soğumayı geciktirdiği için alçı kalıplarda ince kesitli dökümler elde edilebilir. İnce kesitleri elde etmedeki bu imkan daha iyi boyutsal hassasiyet, ince detaylar, ince yüzey temizleme hariç işlemeye gerek duyulmayışa prosesin büyük avantajları olarak ortaya çıkar. Proses bazen pahalı olmakta fakat sayılan parça özelliklerinin maliyete büyük etkisi, parça sayısı ve kalitesi ile dengelendiğinde ekonomiklik arzeder. 13 - MUM MODELLİ DÖKÜM ( lnvestment, hassas ) Bu usül, mum ve hatta plastiklerin model olarak kullanıldığı ve kaybolan mum işlemi olarak da bilinen eski bir yöntemdir. Yüzyıllar önce Çin’de kullanılan bu yöntemin bir çeşidi, Cellini tarafından 16. yüzyılda İtalya’da uygulandı. Dişçiler 1897’den beri prosesi kullandılar fakat II. dünya savaşından sonra zor işlenen metallerden jet türbin kanatları yapmanın endüstriyel
79 önem kazanmasıyla proses gelişmiştir. Bu prosesle her yıl milyonlarca parça dökülmektedir. Proseste karmaşıklık açısından bir sınırlama olmayışı ve dar toleranslarda çalışılabilmesi dizayncılar açısından büyük bir serbestlik getirir. Investment döküm yönteminde aşağıdaki safhalar izlenir: 1 - İlk önce metal, ahşap, plastik veya diğer kolay şekillendirilebilir malzemelerden orijinal bir model yapılır. 2 - Genellikle düşük ergime noktalı metal veya çelikten, bazen de ahşap ana modelden orijinal bir model kalıbı üretilir. Çelik blok kullanıldığında, model boşluğu direk olarak bloğa oyularak açılır. Eğer düşük ergime noktalı metaller kullanılırsa orijinal model kullanılarak model kalıbı dökülebilir. Bazı durumlarda da model kalıba, ahşap malzemeden model kullanmaksızın direk olarak işlenir. Ayrıca kauçuk kalıplarda kullanılabilir. 3 -Ergimiş balmumunu, ikinci maddede yapılışı izah edilen orijinal kalıba basınç altında dökerek veya enjekte ederek mum modeli üretilir. Model kalıbına enjekte edilen mumun katılaşmasına ve sertleşmesine müsaade edilir. Plastik veya donmuş civa da model malzemesi olarak kullanılabilir. 4 - Mum modeli ana mum yolluğa monte etmek; üçüncü maddede belirtildiği şekilde yapılan çok sayıda mum model orijinal kalıptan çıkarılır ve ana yolluğa ısıtılmış havya ile ergitilerek birleştirilir. Bazı durumlarda birçok model parçası karmaşık bir şekilde de birleştirilebilir. Böylece bir model ağacı veya salkımı üretilir ve üretim hızı arttırılabilir. 5 -Salkımı ince bir malzemeyle kaplamak; bu satha, genellikle, model salkımını ince öğütülmüş bir refraktör çamuru içine daldırarak gerçekleştirilir. Bu refraktör özel bir alçı karıştırılmış çok ince silika, etil silika ve asit gibi malzemelerden oluşur. Bu safhada ince fakat çok düzgün refraktör malzeme tabakası mum model üzerine kaplanır ve düzgün bir yüzey ile son şeklin iyi bir detayını oluşturur. Bu ilk kaplama mumla birlikte havada kurutulur. 6 -Kalıplanmış mum model salkımı üzerine ikinci kaplama yapmak; arzu edilen kalınlıkta kabuk elde edilinceye kadar mum model salkımı daha kaba bir refraktör içine daldırılır. Bu işlem, salkımın bir kap içine yerleştirilerek etrafına refraktör bulamacı doldurulması suretiyle de yapılır. Salkım bir kap içine konup etrafına bulamaç dökülmesi durumunda bu bulamacı sallayarak sıkışmış havanın çıkması ve durulması sağlanır.
80 7 -Refraktör kabuğun sertleşmesine müsaade etmek. 8 -Mum modeli ergiterek kalıptan boşaltmak; bu işlem genellikle mum dolu kalıbın bir fırın içine ters çevrilerek 90 - 150°C’de ısıtılmasıyla mumun kalıptan boşaltılması şeklinde gerçekleştirilir. Bu mum bir yerde biriktirilerek yeniden kullanılabilir. Bu safha prosesin tabiatını açıklar. Çünkü kalıbın açılması için iki veya çok parçalı yapılma gerekliliği olmaksızın karmaşık parçaların dökümünü mümkün kılar. Ayrıca iyi boyutsal hassasiyet sağlanmaktadır. Proses, ilk yıllarında küçük parçalar döküldüğü zaman kalıplar bir fırın içine yerleştirilir ve mum eridiğinde gözenekli kalıp malzemesine absorbe edilirdi. Mum gözden kaybolduğu için proses “Kaybolan mum prosesi” olarak isimlendirilirdi. Bu isim hala kullanılmaktadır. 9 -Kalıbı döküm için pişirme; Mumdan arındırılmış kalıp, dökülecek malzeme cinsine bağlı olarak bileşik haldeki suyu almak (kimyasal olarak bileşik su) için 540 - 1050 °C’de pişirilir. İnce kesitlere rahatlıkla dolmuş metalin soğuması sırasında kalıp ve metal büzülmesi birlikte gerçekleştiği için daha iyi boyutsal kontrol sağlanır. 10 -Ergimiş metali dökme; Basit bir dökümün ötesinde özellikle karmaşık ve ince kesitli kalıpların doldurulabilmesi için çok değişik dökme yöntemleri kullanılır. Hava basıncı (basınçlı dökme) kalıptan havayı vakum etme (vakumla dökme) ve bir santrifüj prosesi bu yöntemler arasında sayılabilir. 11- Kalıptan parçayı çıkarma; Bu işlem katılaşmış parça üzerinden kalıbın kırılması ile sağlanır. Bütün bunlar için izlenecek yol, Şekil 72’de gösterilmiştir.
81
Şekil 72 - Investment döküm prosesinin safhaları (kaybolan mum model)
Şekil 73, Investment kalıp malzemesinin salkımın bulunduğu bir kaba doldurulduğu hassas döküm yöntemini şematik olarak göstermektedir. Şekil 74 ise, kabuk kalıp - investment tarzını göstermektedir. Seramik - kabuk kalıp olarak bilinen bu yöntemde de aynı tip modeller kullanılır. Bu modeller ilk önce etil silika jel içine ve sonra ince taneli silika bulamacına daldırılır. Kabuk kalınlığını arttırmak için daha kaba taneli bulamaca daldırılarak sıvı metalin termal şokuna dayanabilecek kalınlık elde edilir. Bu proses ekonomiktir ve hassas dökümler için kullanılır. Investment döküm yöntemi kompleks bir proses olduğundan pahalıdır. Özellikle birçok safhaları otomatize edildiğinden, bazı durumlardaki avantajları, prosesi ekonomik kılabilir. Sadece diğer proseslerle dökülemeyen veya işlenemeyen karmaşık parçaların dökümü değil; aynı zamanda 0.38 mm’ye kadar çok ince kesitler de dökülebilir. % 0.1-1 arasında mükemmel boyutsal toleranslar ve çok düzgün yüzeyler rahatlıkla elde edilir. Talaşlı işlemeye gerek duyulmaz veya çok az gerektirir. İşleme gereken yerlerde 0.38-1 mm’lik toleranslar genellikle büyüktür.
82
Şekil 73 – Kalıba hassas döküm
83
Şekil 74 – Kabuk kalıptan hassas döküm
84 Özellikle işlenmesi zor ve yüksek ergime dereceli malzemelerin dökümü gerektiğinde sayılan avantajlarla prosesin önemi ortaya çıkar. Bu yöntem ile, 75 mm’lik boyut ve 0.5 kg ağırlıkta parçalar rahatlıkla dökülürken boyut ve ağırlık sınırlaması yoktur. 900 mm ve 35 kg ağırlıklı parçalar bu yöntemle üretilebilmektedir. Bazı tipik investment döküm parçalara bakıldığında dökülen şekillerin karmaşıklığı hemen dikkati çeker.
14 - ÖZEL DÖKÜM PROSESLERİ 14. 1 - Vakumla kalıplama ( V - Prosesi) Özel dizayn edilmiş bir vakumlu derece kullanarak bağlayıcı ihtiva etmeden kalıp mukavemetini sağlayan nispeten yeni bir kum kalıplama yöntemidir. Başlangıçta ince bir plastik levha özel bir model üzerine örtülerek vakumla model yüzeyine kuvvetlice çekilir. Müteakiben model üzerine vakumlu bir derece yerleştirilir. Derece kum ile doldurulurken yolluk sistemi de kalıplanır. İkinci bir plastik levha kum üzerine yerleştirildikten sonra dereceye vakum uygulanarak kum sıkıştırılır. Modeldeki vakum durdurularak model çıkarılır. Kalıp yarıları monte edilir ve derece vakumu devam ederken döküm yapılır. Olay, Şekil 75’de özetlenmiştir. Proses çok sayıda avantaja sahiptir. Kalıp malzemesinde nem ve bağlayıcı kullanılmadığından kalıp malzemesi ucuzdur ve yeniden kullanılabilir. Bağlayıcı yanması ve su buharı olmadığından parçada gaz boşlukları meydana gelmez. Herhangi bir kum veya agregat kullanılabilir. Kalıp bozma kolaydır fakat proses nispeten yavaştır.
Şekil 75- Vakumla kalıplama veya V - prosesinin şematik prensibi
85 14. 2 - Buzlu kalıp yöntemi Bu proseste bağlayıcı olarak donmuş su kullanılır. Çok az miktarda kil ve oldukça az su ihtiva eden kum modelin etrafına sıkıştırıldıktan sonra model çıkarılır. Bu sırada kalıp şeklini muhafaza edecek mukavemete sahiptir fakat taşımaya dayanamaz. Sonra kalıp yüzeyine sıvı azot sıkılarak nemin buza dönüşmesi sağlanır ve bu buz bağlayıcılık görevi yapar. Ergimiş metal, bu işlem devam ederken kalıba dökülür. Proses düşük bağlayıcı maliyeti ve bozulma kolaylığı gibi avantajlara sahiptir. Ayrıca buharlaşan su metalle kalıp arayüzeyinde bir ara tabaka oluşturduğundan proseste metal akışı daha iyidir. 14. 3 - Bozulan grafit kalıp yöntemi Yaygın olarak kullanılan birçok kalıp malzemesiyle reaksiyona meyli olan titanyum gibi metallerin dökümü için toz şeklindeki grafit, çimento, kola ve su ile karıştırılarak model etrafına sıkıştırılır. Model çıkarıldıktan sonra kalıp, grafiti mukavimleştirmek için katı bir kalıp içinde 1000°C’de pişirilir. Dökümden sonra parçayı çıkarmak için kalıp kırılır. 14. 4 - Sünger kalıp yöntemi Sıvı halde birleşebilen ve model üzerine döküldüğünde sertleşerek yarı katı kalıp oluşturan bir çok suni kauçuk (genellikle silikonlular) vardır. Kalıp malzemesi modelden soyulacak şekilde yeterli esnekliğe sahiptir. Bu yüzden, ince ve karmaşık kesitli parçaların dökümüne uygundurlar. Bunlar mum modeller, plastikler ve 260°C’nin altında ergime derecesine sahip alaşımlar gibi malzemeden dökülecek oldukça küçük parçaların dökümü için uygunluk arzederler. 14. 5 - Elektromağnetik döküm yöntemi Proses alışılagelmiş bir kalıptan ziyade metalin elektromağnetik bir alanda katılaştırıldığı ve son yıllarda sürekli döküme adapte edilebilen bir döküm prosesidir. Direk su ile katılaştırılabilen metal ve kalıp duvarı arasında bir sürtünme teması yoktur. Parça yüzeyi düz ve üniformdur. Proses tamamen otomatikleştirilmiştir. Birçok büyük döküm endüstrisi alüminyum ingotların sürekli dökümlerinde, bu prosesi kullanmaktadır. Amaç, yöntem ve uygulama açısından birbirine benzer veya çok farklı olan yaygın döküm yöntemleri sonuçta, sağlam, kaliteli ve ekonomik döküm parçalar imal etmeyi gaye edinmişlerdir. Ancak istenilen sonuca ulaşmak her zaman mümkün olmayabilir. Yaygın döküm yöntemlerinin genel bir mukayesesi Tablo 6’da özetlenmiştir.
86 Tablo 6-Döküm işlemlerinin genel karakteristik özellikleri
15 - ERGİTME VE DÖKME Döküm işleminin Katı ---> Sıvı---> Katı prensibine göre yapılan bir imal usulü olduğu, daha önce açıklanmıştı. Katı haldeki bir metali ısı vererek sıvı hale getirmek ve bu sıvı metali hazırlanan kalıba dökerek katılaşmasını sağlamak suretiyle gerçekleştirilen bu imalat yönteminin önemli safhalarından birinde dökülecek metali ergitmektir. Bu çerçevede bütün döküm prosesleri metali ergitmek için bir ergitme vasıtası (fırın) gerektirirler. Farklı ihtiyaçları karşılamak için bütün dökümhanelerde birçok fırın çeşidi mevcuttur. Dökümhane ihtiyacına cevap verecek doğru bir fırın seçimi bir çok faktörün göz önünde bulundurulmasını gerektirir.
87 1 - Ergitilecek alaşımın ergime noktası ve kompozisyonuna uygun sıcaklığı sağlayabilmelidir. Zararlı etkiler olmaksızın metali arzu edilen sıcaklıkta tutmayı mümkün kılmalıdır. Ancak böylece alaşım ilavesi ile bileşim ayarlanabilir. 2 - Metalin kirlenmesini önlemek için fırın atmosferinin kontrolüne imkan vererek kirlenmeyi minimumda tutması gerekir. 3 -Hava kirliliği ve gürültü gibi çevresel faktörleri minimumda tutacak yapıda olmalıdır. 4- Kapasite, ergitme hızı ve alınan metal miktarının dökümhane ihtiyaçlarına cevap verecek şekilde olmalıdır. 5 -Fırın gücü, bulunabilme ve yakıt maliyeti, ilk yatırım masrafları, bakım ve işletme maliyeti gibi açılardan ekonomik olmalıdır. Deneysel veya küçük operasyonlar için kullanılanlar hariç, bugün bütün dökümhanelerde yaygın olarak kullanılan ergitme vasıtaları; kupollar, elektrik ark fırınları ve indüksiyon fırınlarıdır. Fırınlar özel ihtiyaçları karşılamak için dizayn edilirler. Bir dökümhanesi olan entegre çelik fabrikalarında, bazik - oksijen fırınından direk olarak alınan sıvı çelik döküm kalıbına dökülür. Fakat büyük dökümler için böyle bir yol izlenmez ve metal biriktirilerek döküm yapılır. Bazı deneysel çalışmalar için ve çok küçük dökümhanelerde gazla çalışan pota fırınları kullanılırsa da bu yer ocakları çoğu ticari operasyonlar için yeterli kapasiteye sahip değildir. En iyi ergitme vasıtasının seçimi için yukarıda sayılanlara paralel olarak; arzu edilen metal kalitesi, değişik yakıtların mevcudiyeti, ergitmenin aralıklı mı yoksa devamlı mı olacağı dikkate alınmalıdır. Yukarıda sayılan faktörlerin ışığı altında Şekil 76’da gösterilen fırınlar yaygın olarak kullanılır. Dökme demir ergitilmesinde genel olarak kupol ve elektrik ark fırınları kullanılır. Çelik ise daha ziyade elektrik ark fırınlarında ergitilir. Diğer metal ve alaşımları için değişik fırınlar kullanılırsa da aralıklı ergitme operasyonunda belli kapasiteli pota veya fırınlar kullanılır. Sürekli operasyonlarda ergitme ve metal biriktirme sürekli olarak bir kupol da yapılabilir. 15. 1 – Ergitme Ergitme işlemi dökümün kalitesine önemli etkileri olan bir aşamadır. Ergitilecek metalle aynı anda alaşım elemanları ve temizleme maddeleri şarj olarak doldurulur. Metal şarjı, kullanılmamış saf metaller ve ikinci kez kullanılacak hurda, temiz döküm artıkları (yolluk, çıkıcı ve ıskarta parça) gibi malzemelerden oluşur. Eğer alaşım elementlerinin ergime dereceleri düşükse, eriyikte arzu edilen bileşimi elde etmek için saf alaşım elementleri ilave edilir. Ergime noktası yüksek alaşım elemanları düşük ergime dereceli metallerle kolay karışmazlar.
88
Şekil 76- Ergitmede kullanılan fırınlar
89 Bu durumda daha düşük ergime noktalı sertleştirme alaşımları veya sertleştiriciler kullanılır. Bu sertleştiriciler, genel olarak ihtiyaç duyulan alaşım elemanlarının biri veya ikisinin yüksek konsantrasyonlu alaşımından ibarettir. Boşluk segragasyonuna meyli azaltırlar. Ergitme sırasındaki alaşımlamada, genellikle ilk olarak düşük ergime noktasına sahip olan alaşım; daha sonrada yüksek ergime derecesine sahip olan alaşım ergir. Ergimiş metalin yüzeyi; atmosferik reaksiyona ve kirlenmeye karşı korunmak, arıtılmak ve ısı kaybını önlemek için izole edilmelidir. Bu işlem, genel olarak yüzeyin cüruf bileşikleri ile örtülmesi veya eriyiğin karıştırılması suretiyle yapılır. Sıvı çelik için cüruf bileşimi CaO, SiO2, MnO ve FeO ihtiva eder. Cüruf asidik (yüksek SiO2 muhtevalı) veya bazik (yüksek CaO’lı) olarak yapılır. Sıvı metaller katı halden daha fazla gaz çözündürürler. Çünkü katılaşma meydana geldiğinde çözünülebilirlik ani olarak azalır. Neticede bir metal katılaşırken çözünmüş gazlar çözeltiden çıkarlar ve dentrit araları gibi mevcut boşluklarda toplanır ve mikro boşluklara sebep olurlar. Makro boşlukların büzülme sonucu mu yoksa gazlar yüzünden mi meydana geldiği kolayca belirlenemez. Genel olarak, eğer boşluk küresel ve düzgün çeperlere sahipse bu boşluk gaz boşluğudur. Eğer çeperler pürüzlü veya köşeli ise, dentritler arası büzülme yüzünden olduğu anlaşılır. Boşluklar, mekanik özellikler ve yüzey işleme açısından son derece zararlıdır. Bu bakımdan sıvı metaldeki gazların mutlaka kontrol edilmesi gerekir. Hidrojen ve nitrojen (azot) değişik miktarlarda ve erimiş şekilde bütün metallerde bulunur. Ergimiş gazlar sıvı metali çalkalama, bir asal gazla muamele veya vakumda ergitip dökerek giderilebilir. Çözünmüş gaz miktarı, gazın kısmi basıncının karekökü ile orantılı olduğundan vakumda ergitme faydalıdır. Eğer gaz oksijen ise, metali dezokside etmek için bazı tekniklerle eriyik içine bazı elementler ilave edilir. Bu çerçevede çelik, alüminyum veya silisyum ile, bakır esaslı alaşımlar ise fosforlu bakır ile dezokside edilirler. Temizleyiciler ; kireç taşı ve dolamit, karbonat ve kalsiyum florid ( dökme demirler için ) gibi inorganik bileşiklerdir. Bu bileşikler çözünmüş gazları ve safsızlıkları gidererek eriyiği arılaştırırlar. Gazlardan ve metal olmayan safsızlıklardan doğacak kirlenmeyi azaltmak için ergimiş metali taşıma ve dökme sırasında dikkatli olmak gereklidir. Bu çerçevede pota ve kepçe gibi takımlar temiz ve nemsiz olmalıdır.
90 15. 2 - Kupol ocakları Elektrikli indüksiyon fırınlarının kullanımı giderek artmasına rağmen kır, nodüler (küresel) ve beyaz dökme demirlerin önemli bir bölümü kupollarda ergitilir. Temel olarak bir refraktörle astarlanmış kupol içine 1 kısım kok ve 8 - 10 kısım demirin konduğu (pik veya artıklar) düşey bir çelik kabuktur. Metalin akıcılığını arttırmak ve üzerini örtmek için az miktarda kireç taşı veya mermer kırıntıları konur. Metal bileşimini değiştirmek için bazı alaşımlar ilave edilebilir. Kupol tazyikli bir hava ile ısıtıldığı zaman içindeki demir ergimeye başlar ve kok içinden süzülerek aşağı doğru akıp kupolun alt tarafında toplanır. Sıvı metal üzerinde bir cüruf tabakası yüzer. Yeterli miktarda ergimiş metal toplandığı zaman hava vanası kapatılarak maden alma deliği açılır. Müteakiben sıvı metalin bir döküm veya taşıma potasına akması sağlanır. Sonra delik kapatılır ve hava vanası tekrar açılarak hava verilir. Kupolun çalışması yarı devamlı banyo tipi prosesidir. Ergiyen metal alındığı için eksilen şarj seviyesini üniform bir şekilde sürdürebilmek üzere ilave kok ve demir şarjı yüklenir. Kupol ocakları, basit ve ekonomik olmaları yanında geniş bir kapasite aralığına sahiptirler. Uygun ham malzeme kullanılır ve düzenli kontrol sağlanırsa çok iyi kalitede dökme demir üretirler. Sıcak metal kok ile sıkı temasta olduğundan kimyasal bileşim koktan etkilenir. Çok yüksek kükürt ihtiva eden koktan sakınılmalıdır. Fırın hacmi nedeniyle bazı kimyasal kontrol problemleri doğabilir. Sıvı metal alındıktan sonra bileşimi ayarlanır. Kimyasal bileşimi ayarı, metal kupoldan uzaklaştırılarak işlenir. Ergitme hızını arttırmak ve ekonomiklik kazandırmak için sıcak hava üflemeli tip kupollar kullanılabilir. Burada, hava sıcaklığını 560oC’ye çıkarmak için baca gazları bir eşanjörden geçirilir. Su soğutmalı kupollarda soğutma yapmak için su kupol çevresinde dolaştırılır. Suyun kullanımı ile fırın astarının aşırı ısınması önlenerek ömrü uzatılır. Hava sıcaklığını ve ergitme hızını arttırmak için oksijenle zenginleştirilmiş hava kullanılır. Bütün modern tesislerde baca gazlarının büyük bir kısmı toz kollektörlerinden ve değişik tipte kirlilik kontrol ekipmanlarından geçer. Şekil 77’de gösterildiği gibi, modern bir kupol oldukça karmaşıktır. Kupol ocaklarının daha çok dökme demirlerin ergitilmesinde kullanıldığını tekrar hatırlatmakta yarar vardır. 15. 2.1 –Kupol için harman hazırlamak Kupol ocağında harman yapmak, belli miktarda çelik hurdası, demir dökülmesi ve pig kullanarak istenilen kimyasal bileşimde dökme demir elde etmektedir. Harman, hesapla, arama sureti ile veya deneyle tespit edilebilir. Hesapla harman tespitinde, istenilen
91 bileşimdeki elementlerin miktarları ile mevcut olan maddelerin miktarları arasında denklemler yazılır. Fakat, daima bazı harman maddelerinin miktarları önceden tayin edilir ve denklem sayısı üçe indirilerek harman yüzdesi buradan tespit edilir. Hematit pigi pahalıdır ve harman fosforu azalmak gayesi ile gerektiği kadar katılır. Döküm döküntüsü ekonomik sebeplerle tamamen kullanılır. Çelik hurdası fazla olursa dökme demirin karbonu azalır, kok sarfiyatı artar. Harman çoğu kere (Si), (Mn) değişmelerine göre hesap edilir. İstenilen bileşimdeki elemanların miktarları, ham maddeninkinden çok veya az ise potada ferro-alaşımları ilavesi yapılır. Kupol ocaklarında bileşim değişmeleri çalışma şartlarına ve ocak özelliklerine göre değişmekte ise de genel olarak yaklaşık değerler verilebilir (Tablo 7). Tablo 7- Kupol ocağı bileşim değişmeleri
Elemanlar Şarja göre kayıp Si 15 Mn 10 Fe 2,0 C S Cr, Ni , P --
Şarja göre kazanç Düşünceler Curufa geçer Curufa geçer Curufa geçer 10-20 Koktan 0.03-0.05 Koktan Kar-Ziyan yok
Tablo 8- İstenilen dökme demirin bileşimi
%C 3,5
% Si 1,4
% Mn 0,7
%P 0,9
%S 1,0
Dökme demirin istenilen bileşimi Tablo 8’ deki ve elimizdeki mevcut olan ham maddelerin bileşimve miktarları ise Tablo 9’daki gibi olsun. Tablo 9- Harman tablosu
Miktarı % Ham maddenin cinsi X kg Y kg Z kg 5 kg
Pig demiri Döküm döküntüsü Demir hurdası Çelik hurdası
C % 3,6 3,8 3,6 0,1
Si % 2,0 1,4 2,0 0,1
Mn % 0,7 0,6 0,6 0,5
P % 0,85 0,90 1,60 0,08
S % 0,06 0,10 0,10 0,06
5 kg çelik hurdası kullanılacağı kabul edilsin. Kupol ocağında (Si) ve (Mn) kaybı olduğundan şarjdaki (Si) ve (Mn) yüzdesi : Si = 1.40/0.85 = 1.65 Mn = 0.70/0.90 = 0.78
92 Fosfor (P) ve silisyum (Si) miktarlarına göre kurulan denklemler : X+ 2.00 X+ 0,85 X+
Y+ 1.40 Y+ 1.90 Y+
Z+ 2,00 Z+ 1,60 Z+
5 = 100 0.5 = 1,65x 100 x Si 0,08.5 = 0,90x 100 x P
Denklemleri çözersek: X = 28,78 ≈ 39 Kg Y = 58,30 ≈ 58 Z = 7,92 ≈ 8 Çelik = 5,00 ≈ 5 Toplam = 100 Kg
15. 3 - İndirek yakıt alevli fırınlar Bu tip fırınlar, harici bir alevle ısıtılan pota ihtiva eden fırınlardır. Kullanımı demir dışı metallerin banyo tipi ergitilmesi ile sınırlıdır. Düşük girdi maliyetine sahip olmalarına rağmen, bu tip fırınlarda karıştırma ve sıcaklık kontrolü zayıftır. Potalar genellikle kil ve grafit, silisyum karbür, dökme demir veya çelikten yapılmıştır.
Şekil 77- Kirlilik önleyici ekipmanla birleştirilmiş bir modern kupol fırını (şematik)
93 15. 4 - Havalı veya direk yakıt alevli fırınlar Bu fırınlarda metalin yüzeyi, yanan bir yakıt alevi ile direk olarak ısıtılır. Bunlar biraz küçük ve açık Martin’e (açık ocaklı fırın) benzerler fakat rejeneratif ekipmanları yoktur (Şekil 78) ve hareketli bir ağızdan yüklenirler. Kapasiteleri, potalı fırınlardan çok daha geniştir fakat çalışma, demirdışı metallerin banyo tipi ergitilmesi ile sınırlıdır. (temper dökme demir, kupolda ergitildikten sonra, bu fırınlarda tutulur ve bileşim ayarlaması yapılır). Metalin sıcaklığı, kompozisyonu, ısıtma ve ergitme hızı kolayca kontrol edilir.
Şekil 78 - Havalı bir fırının kesiti
15. 5 - Ark fırınları Dökümhanelerde ark fırınlarının kullanılması gittikçe artmaktadır. Çünkü; 1 - Hızlı ergitme kapasitesine sahiptir. 2 - İstenen herhangi bir zamanda alaşımlamaya müsaade edecek şekilde, sıvı metali sıcak tutma kabiliyetine sahiptir. 3 - Kirlenme kontrolünü sağlamada büyük kolaylık gösterirler. Çoğu tiplerinde, yüklenecek şarja müsaade edecek tarzda üst kısım kaldırılmış veya aşağıya sallanmıştır. Arkın, elektrotlar ve metal şarjı arasında başlaması ve devam etmesi için ısı alt elektrotlardan oluşmaya başlar. Akım yolu elektrottan metale doğrudur. Ergimiş metalin üzerinde koruyucu bir tabaka oluşturmak için temizleyici maddeler ilave edilir. Bu yolla metal korunduğu ve belli bir sıcaklıkta istenilen kadar uzun kalabildiğinden, istenen bileşimde ve yüksek kalitede metal elde edilebilir. Bu tip fırınlar, 200 ton kapasitelidir fakat 25 ton kapasitenin altındakiler daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Saatte 50 ton’a kadar banyo tipi çalışma ile ergitilir. Bu fırınlar genellikle eriyik banyosunun iyi karışması ve homojenizasyonu sağlama imkanı verdiklerinden, demir alaşımlarının, (özellikle çelikler) ergitilmesi için kullanılır.
94 15. 6 - İndüksiyon fırınları Çok hızlı ergitme ve nispeten kolay kirlenme kontrolü sebebiyle elektrik indüksiyon fırınlarının kullanımı artmaktadır. İki tipi yaygın olarak kullanılır. Bunlardan yüksek frekans tipi veya çekirdeksiz indüksiyon fırını, bakır borulardan bir su soğutma sistemi ile çevrelenmiş bir potadan ibarettir. Yüksek frekanslı bir akım sargı içinden geçerek değişken bir mağnetik alan oluşturur ve pota içindeki metal ikincil akımları yayar. Bu ikincil akımlar parçayı çok hızlı ısıtır. Bu fırınlar kesin olmamak kaydıyla, bütün alaşımlar için kullanılır. Maksimum sıcaklık ısı kayıplarına karşı yeterli izolasyon ile sağlanır. Isı ve bileşim kontrolü için uygundurlar ve 65 tonluk kapasitede olabilirler. Isı kaynağının kirlenmeye etkisi olmadığından çok temiz metal üretirler. Düşük frekanslı veya kanal tipi indüksiyon fırınları artarak kullanılmaktadır. Şekil 79’da gösterildiği gibi, bu fırınlar normal birincil alternatif akım sargısına sahiptirler. Fakat ikincil sargı ergimiş metal çerçevesi veya kanalı ile oluşur. İkincil sargı, bir metal dolanımı olduğundan düşük bir voltaj / yüksek akım meydana getirir ve bu arzu edilen ısıyı sağlar. Bu tür fırınları çalıştırmak için ikincil sargıyı oluşturmak üzere biraz ergimiş metal kullanılmalıdır. Bu fırınların ısınma hızı çok yüksek ve sıcaklık kontrolü kolaydır. Bu özellik bunları çok kullanışlı kılar ve metal tutma fırınları olarak yaygın kullanımlarına sebep olur. Metal kalıba döküm makinalarında burada da sıvı metalin belli bir zaman süresince sabit sıcaklıkta tutulması arzu edilir. Bu fırınlar 250 ton kapasitede olabilirler.
Şekil 79 – Düşük frekanslı indüksiyon fırınının prensibi
95 15. 7 - Döküm pratiği Ergitme fırınından kalıba metal taşımak için küçük döküm pota veya kepçeleri kullanılmaktadır. Burada dikkatten uzak tutulmaması gereken ilk faktör, metali döküm sıcaklığında tutmak ve kalıba sadece kaliteli metalin gitmesini sağlamaktır. Kullanılan kepçelerin tipi, dökülecek parçanın sayı ve büyüklüğü ile belirlenir. Küçük dökümhanelerde, elle taşınan mafsallı tip pota sık kullanılır. Büyük, dökümhanelerde ya tabandan dökülen veya çaydanlık tipi potalar kullanılır (Şekil 80).
Şekil 80 - Dökme işlemlerinde kullanılan pota tipleri
Bu taşıma potaları, üzerinde kalıpların döküm hattına taşındığı bir konveyör vasıtasıyla taşınırlar. Bu tip potalar cüruf veya okside olmuş metalin kalıba girmesine mani olurlar. Modem ve seri imalat yapan dökümhanelerde Şekil 81’de gösterilen otomatik dökme sistemleri kullanılır. Ergimiş metal ana ergitme fırınından tutma fırınına tavandaki bir kreyn vasıtası ile taşınır. İstenilen miktarda ergimiş metal, tutma potalarından her bir dökme potasına alınır ve döndürülerek karşısındaki kalıba metal dökülür. Bu işlemlerin tamamı otomatik olarak gerçekleştirilir(Şekil 81). Belirli sıcaklıkta yüksek yanma temayülünden dolayı magnezyum ergitme ve dökmede özel dikkat gereklidir. Ergitme sırasında metal uygun bir toz örtü maddesiyle örtülü tutulmalıdır. Dökümden önce, metaldeki nispeten ağır ve tabana birikmiş safsızlıkları serbest hale getirmek (yüzdürmek) için ergimiş metali çelik bir çubuk ile karıştırmalıdır. Böylece safsızlıkların örtü tozu içinde toplanmaları sağlanmış olur. Müteakiben bu toz örtü maddesi metal üzerinden alınmalıdır ve magnezyum yüzeyine koruyucu toz şeklindeki bir malzeme tabakası konulmalıdır. Bu tür koruyucu tabakalar, metalin dökme potasında bulunduğu zamanı da içine alacak şekilde her zaman oluşturulmalıdır.
96
Şekil 81 - Bir konveyör hattı üzerinde kalıpları otomatik olarak dolduran makina şematiği
15. 8 - Vakumda ergitme ve dökme Günümüzde gazları gidermek ve yüksek saflık sağlamak için, vakum altında ergitilen metal miktarı artmıştır. Metalin vakumda ergitilmesi yanında dökülmüş halde saf ve kaliteli parçalar sağlamak için dökümler vakumda yapılabilir. Bu işlem bir indüksiyon fırını ve kalıbını, havası boşaltılan bir hazne içinde bir araya getirerek gerçekleştirilir. Böylece metal, fırından direk olarak kalıba vakum altında dökülür. Çok yüksek saflıkta metal gerektiği zaman kullanılan diğer bir vakumda ergitme ve dökme metodu,
ergitilecek
metalden
hazırlanan
ergiyebilen
elektrotun
bir
ark
fırınında
kullanılmasıyla gerçekleştirilir. Bu metot, titanyum ingot yapmak için kullanılır. Eğer döküm yapılacaksa, elektrot bir pota içinde ergitilir ve kalıba dökülür. Kullanılan bütün ekipmanlar havası vakum edilmiş bir bölme içindedir. Vakum metotları pahalıdır. Bu yüzden en yüksek kalitede metale ihtiyaç duyulduğunda kullanılır.
97 16 - DÖKÜM PARÇALARIN TEMİZLENMESİ VE ISIL İŞLEMLERİ 16. 1 - Dökümlerin temizlenmesi Çoğu döküm parçalar, katılaştıktan ve kalıptan çıkarıldıktan sonra, bazen temizleme ve bitirme operasyonu gerektirirler. Bunlar ise aşağıdaki safhaların hepsini veya birçoğunu kapsar. 1- Maçaların çıkarılması 2 - Yolluk, çıkıcı ve besleyicilerin giderilmesi 3 - Çapak ve kaba noktaların yüzeyden temizlenmesi 4 - Yüzeyin temizlenmesi 5 - Mevcut herhangi bir hatanın tamiri. Gerekli operasyonlar her zaman aynı sırada yapılmaz ve özel döküm prosesleri bunlardan bazılarına gerek duymaz. Temizleme ve bitirme işlemleri maliyete önemli oranda yansıdığından, bazı faktörler parçanın dizaynı sırasında ve kullanılacak döküm yönteminin seçiminde dikkate alınmalıdır. Böylece önemli ölçüde tasarruf sağlanabilir. Son yıllarda bu operasyonları mekanize etmek için çok gayretler sarfedilmektedir. Kum maçalar genellikle sarsıntı ile giderilebilir. Bazen de maça bağlayıcılarını çözerek giderilmelidir. Küçük dökümlerdeki yolluk ve besleyiciler kırılabilir. Fakat büyük parçalar, hatta bazı küçük parçalardakiler kesilmelidir. Demir dışı ve dökme demir parçalarda, genellikle bu işlem bir abrasiv kesme diski veya band testere vasıtasıyla yapılır. Çelik dökümlerdeki, özellikle büyük çelik parçalardaki yolluk ve çıkıcılar genellikle bir oksiasetilen alevi ile kesilir. Yolluk ve besleyiciler giderildikten sonra küçük parçalar genellikle, çapak, küçük çıkıntı ve yüzeye yapışmış kumları gidermek için bir perdah dolabına doldurulur. Perdahlama, maçaları bozma ve hatta bazı durumlarda yolluk ve besleyicileri gidermek içinde kullanılabilir. Temizlemeye yardımcı olması için, dolaba biraz aşındırıcı parçacıklar ilave edilir. Daha büyük dökümler, bir konveyör üzerinde temizleme odasından geçirilebilir. Burada parçalara aşındırıcı veya temizleme malzemeleri püskürtülür. Büyük parçalar genellikle pnömatik keskiler ve el taşları kullanarak elde bitirilmek zorundadır. Bu işlemler ayrı bir temizleme odasında yapılır. Dökümlerde hatalı ve eksik yerler olmaması arzu edilmesine rağmen, bazen hatalı yerler çıkacaktır ve özellikle özel dizayn uygulanmış büyük dökümlerin bir veya birkaç yerinde olabilir. Hataların bazıları ark kaynağı ile kolayca tamir edilebilir. Fakat dökülen malzemenin
98 kaynak edilebilir bir malzeme olması gerekmektedir. Tamir edilmiş bütün hatalı bölgeler metali sağlamlaştırmak için taşlama, kesme ve düzeltme yapılarak temizlenmelidir.
16. 2 - Dökümlerin Isıl İşlemleri İlave edilen alaşım elemanlarının etkilerinden tam faydalanmak için, genelde döküm parçalara ısıl işlemler uygulanmaktadır. Çelik dökümler hemen hemen her zaman tavlamaya tabi tutulur. Böylece ince kesitlerin hızlı soğuması ile oluşan sertlik düşürülür ve düzensiz soğumadan kaynaklanan iç gerilmeler giderilir. Demirdışı dökümler, talaşlı işlemeden önce yumuşatma ve gerilme giderme için ısıl işleme tabi tutulur. Son özellikler için, kesin olmamakla birlikte, bütün ısıl işlemler uygulanabilir.
17 - DÖKÜM PARÇALARIN DİZAYNINDA DİKKATE ALINACAK HUSUSLAR Kusursuz bir döküm parça elde edebilmek için çok sayıda faktörün dikkatlice değerlendirilmesi ve kontrolünün gerektiği tartışmasız kabul edilmelidir. Dökülecek parçayı dizayn edenin, dökümün bütün gereklerine özel önem vermesi önemli bir konudur. En iyi neticeye ulaşmak ve ekonomiklik sağlamak için eğer mümkünse, dizayn sırasında, dökümhane ile sıkı bir ilişkiye girilmelidir. Dolu kalıp veya investment yöntemiyle dökülecek parçalar hariç dizayncı tarafından dikkate alınacak ilk faktörlerden biri kuşkusuz modelin bölme yüzeyinin belirlenmesidir. Bölme yüzeyini belirlerken aşağıdaki faktörlerin dikkate alınması gerekir : 1 -Maça sayısı 2 -Uygun ve ekonomik yolluk 3- Parça ağırlığı 4- Maçaları destekleme yöntemi 5 -Boyutsal hassasiyet 6- Kalıplama kolaylığı Genel olarak kumdan yapılmış maçaların kullanımının azaltılması arzu edilir. Şekil 82’de gösterildiği gibi, daha ziyade bölme yüzeyinin yerleştirilmesinde düşünülecek bir değişiklik, bu konuda yardımcı olacaktır. Dikkat edilirse bu değişiklik, koniklik ihtiyacını ortadan kaldırarak parça ağırlığını da azaltır. Şekil 83, basit bir dizayn değişikliğinin, kum maçaya olan ihtiyacın nasıl giderildiğini gösteren bir örnek sunmaktadır. Şekil 84’da gösterildiği gibi, bir parça üzerinde yuvarlatılmış kenarların pozisyonları bölme yüzeyinin yerleştirmesini zorlaştırır. Konikliğin belirlenmesinde, dökümhane ile irtibata geçilirse, ekonomik kalıplama
99 mümkün olabilir. Şekil 85, bazı tipik tercihleri göstermektedir. Ayrıca dizayncı bölme yüzeyi ile kesişen boyutların paralel olanlardan daha fazla değişime maruz kalacağını hatırlamalıdır. Sağlam parçalar elde etmede katılaşma prosesi özel öneme sahiptir ve dizaynla yakından ilgilidir. Parçanın ısı kaçan yüzey alanının hacmine oranı yüksek olan ve hızlı soğumaya maruz bir parçada, ilk kez katılaşmanın başladığı bu yüzeyler sertleşerek sert bir kabuk oluşturmaya meyledeceklerdir. Ağır kesitler daha yavaş soğuduklarından, özel tedbirler alınmadıkça büzülme boşlukları ve gözenekler oluşur. Ayrıca iri taneli yapıya sahip olurlar. Bir çok faktöre bağlı olmasına rağmen, kaba tane ve düşük ergime noktalı birikintiler, sıcak yırtılmaya meyli de arttırır.
Şekil 82 - Parça üzerinde bölme yüzeyinin yerinin değiştirilmesi ile bir maçanın eliminasyonu
Şekil 83 - Parça dizaynını değiştirerek bir kum maçaya olan ihtiyacın giderilmesi
Şekil 84 – Bölme yüzeyinin yerleştirilmesine yuvarlatılmış köşe ve kenarların etkisi
100
Şekil 85- Bölme yüzeylerinin konikliğini dikkate alarak yerleştirilmesi
Problemin gazlardan, metal akışından ve yolluk sisteminden kaynaklanabileceği daha önce kısmen açıklanmıştı. Önemli döküm hataları katılaşma sırasında meydana gelen büzülmeden kaynaklanır. Eğer parçanın serbest olarak çekmesi engellenirse, sıcak yırtılma olarak bilinen çatlamalar meydana gelir (Şekil 86). Bu bakımdan parça ve kalıp dizaynında büzülme dikkate alınacak çok önemli bir faktördür. Alaşımlardaki boşluklar, dökümde mümkün olduğu kadar dar mantarlaşma bölgeleri oluşturan metotlar ile azaltılabilir veya önlenebilir (sıvı + katı bölgesini daraltarak). Bu ise, ani sıcaklık geçişi meydana getirerek, yüksek termal kondüktiviteye sahip kalıp malzemesi kullanarak veya düşük termal kondüktiviteli ve dar katılaşma sıcaklık aralığı olan alaşım seçerek gerçekleştirilebilir.
Şekil 86- Dökümlerde sıcak yırtılma hatalarına örnekler. Bu tür hatalar kalıbın rijit olması sebebiyle malzemenin soğuma sırasında serbestçe büzülememesi gibi nedenlerden oluşur. Sıcak yırtılmayı önlemek için kritik kesitlerde soğuma hızını kontrol etmek için ekzotermik bileşikler kullanmak gerekir.
101 Bir dökümde büzülme veya kendini çekme şu safhalarda gerçekleşir; a - Sıvı metalin soğuması nedeniyle büzülme b - Füzyon gizli ısısı nedeniyle büzülme c - Sıcaklığın oda sıcaklığına düşmesi sırasında katı metalin büzülmesi Sade karbonlu bir çelik için, yukarıdaki büzülme oranları hacimsel olarak, her 56°C için sırasıyla % 1.6 - 3.0 - 7.2’dir. Buradan en büyük büzülmenin katı metalin soğuması sırasında meydana geldiği gözlenmektedir. Çeşitli dökme metaller için katılaşma büzülmesi Tablo 10’da verilmiştir. Dikkat edilirse kır dökme demirin katılaşma sırasında genleştiği görülür. Grafitin nispeten yüksek özgül hacme sahip olması ve sıvı çözelti içinde karbonun lamel şeklinde çökelmesi genleşmeye sebep olur. İdeal olarak bir dökümün bütün kesiti boyunca nispeten üniform bir kalınlığa sahip olması gerekir. Çoğu durumlarda bu mümkün değildir. Fakat kesit değişikliği düşünüldüğünde, bu değişiklik ani olmamalıdır. Şekil 87, kesit kalınlığı ile ilgili bazı kaideleri vermektedir. Kesitler kavşak şeklinde olduğu zaman iki problem ortaya çıkar. Parçaların kesişen bölgeleri Şekil 88’de gösterildiği gibi, bölgesel kalın kesitleri doğurur. Bu kalın kesitler, diğer bölgelerden daha da yavaş soğur ve anormal bölgesel büzülmelere sebep olur. Bu tür birleşme yerleri, sıcak noktalar olarak adlandırılır ve birleşme yerlerindeki kütle yığılması dizayn değişikliği ile giderilebilir. T şeklindeki bir sıcak bölge, yönlendirilmiş katılaşmaya izin vermez. Sıcak bölgelerin belirlenmesi, kavşak bölgelerine çizilen dairelerle olur. Bu dairelerden büyük çaplı olan kritik büzülme bölgesini tam olarak gösterir(Şekil 81). Tablo 10-Çeşitli dökme metaller için katılaşma çekmeleri
102
Şekil 87 - Dökümlerde kesit değiştirme prensipleri
Şekil 88- Sıcak nokta bölgeleri (a) - L kesiti, (b) - T kesiti Kesitlerdeki farklılıklar büyük olduğunda Şekil 89’ da gösterilen sıcak noktalar büzülme boşlukları şeklinde ciddi hatalara sebep olur. Şekil 90 sıcak noktaların veya büzülme alanlarının azaltılmasında geçiş yuvarlatılmalarının yanlış ve doğru kullanımı hakkında üç örnek göstermektedir.
Şekil 89 - Çeşitli kalınlıkların sebep olduğu sıcak noktalar
103
Şekil 90 - Çeşitli yarıçaplarda köşe yuvarlatmalarının katılaşma hızına etkisi (siyah bölgeler sıvı metal miktarını göstermektedir)
Şekil 90 (a) ve (b)’de gösterilen durum söz konusu ise, bitişik cidarlar büzülürken kalın kesitteki sıvı metal kalır ve kavşaklarda çekme gerilmeleri ortaya çıkar. (c) deki dizayn bu eğilimi büyük oranda düşürür. Fakat pervaz (köşe), azaltılmış kesit yüzünden çekme gerilmesine maruz kalacaksa, bu arzu edilen bir çözüm değildir. Kesit genişliği ve uzunluğu arasındaki oranda önemlidir. Eğer geçişler çok ani (keskin) ise türbülans ve sıcak noktalar meydana gelebilir. Kalınlıktaki değişiklik yönlü katılaşmayı kontrol edebilen kama şekilli bir meyil ile dizayn edilir. Bu kamanın uzunluğu ve genişliği arasındaki oran, 1:4’ü geçmemelidir. Bu oran aslında Şekil 91’de gösterildiği gibi formülize edilebilir. I = 4 (Wa-Wb)
( 10 )
Şekil 92’de gösterildiği gibi bazen iç boşluklar oluşturmak sıcak noktalardan sakınmanın bir başka yoludur. Bazen dökülen parçanın dışı üniform ve iç kısmında üniform olmayan boyutlara sahip olabilir. Şekil 93’deki üniform olmayan cidar kalınlığı kalın ve nispeten ince olan kesitlerin meydana getirdiği sıcak bölgeleri ve iç kalınlığı kontrol edebilen maçalar kullanılarak ayarlanmıştır. Maça bağlayıcı ihtiva eden normal kalıp kumundan yapılabilir. Katılaşma sonrası sıcak noktaların belirlenmesinde mikroskobik çalışmalardan yararlanılır. Şekil 94’de, bir L birleşme yerinin mikro yapısı görülmektedir. Koyu olarak çizilmiş köşedeki sıcak bölgelerin oluşması dizayn hatasından kaynaklanmaktadır. Birleşme bölgeleri genellikle L, H, T, V, Y ve X şeklindedir. Bu şekiller, orijinal model üzerinde kolayca yapılabilir. Fakat bu tür birleşmelerde, sıcak noktaların oluşması ve büzülme boşlukları kaçınılmazdır. Bu yüzden dizayn sırasında hatırlanması gereken bir nokta, bu tür bölgelerde düzgün akış sağlayacak dizaynların seçilmesidir. Şekil 95’de, L ve Y şekilli
104 birleşmelerin üç ayrı durumunda nasıl bir akış karakteristiği verdiği gösterilmiştir. X kalınlığı ve R yarıçapı arasındaki ilişki akış karakteristiğine göre belirlenmiştir. Bu akış aynı zamanda izoterm bir karakter taşır.
Şekil 91 - Farklı cidar kalınlıklarının birleştirilmesi ile ilgili bağıntı ve örnekler
Şekil 92 - Sıcak bölgelerin orta kısımlarında maçalar kullanarak kütle yığılmalarının önlenmesi
Şekil 93 - Maça kullanarak iç kesitlerin üniform bir hale getirilmesi ve sıcak bölgelerin dengelenmesi
105
Şekil 94- Köşelerde katılaşma durumunu tespit için bir mikro yapı örneği
Şekil 95- L ve Y şeklindeki kavşaklarda akış karakteristiği ve uygun dizaynlar
106 Döküm parçalardaki boşluk, gözenek ve çatlakların ciddi mukavemet azalmasına sebep olacağı aşikardır. Şekil 96’da gösterildiği gibi kalın kesitlerin bulunmak zorunda olduğu yerlerde büzülmeyi karşılamak için o bölgelerde besleyici kullanılabilir. Besleyici ergimiş metal deposu görevini görür (Şekil 41’e bakınız). Besleyici, bölgenin bitişik kısımların katılaşmasından bir müddet sonraya kadar sıvı halde kalır ve böylece büzülme sırasında o bölgeyi besleyebilir. Böylece büzülme boşluğu sadece besleyici içinde oluşur ve besleyici kesildiğinde bu boşluk da atılmış olur. Besleyici katılaşmasını geciktirmek için, besleyici izole edilir veya ekzotermik örtü veya maddeler kullanılır. Besleyici veya çıkıcıdaki çıkıcı eksenine paralel ve ortada oluşan boşlukları azaltmak için metalin bir izolasyon maddesi veya sıcak kapak olarak bilinen ekzotermik bir karışımla kapatılabilir (Şekil 97). Bu tür örtüler çıkıcıdaki ısının kaçmasını önleyerek yavaş soğumayı temin eder.
Şekil 96- Bir dökümde büzülme boşluğunu parça dışına çekmek için çıkıcı kullanımı
Şekil 97 - Büzülme sebebiyle meydana gelen boşluğu azaltmak için bir izolasyon bileşiği veya ekzotermik (ısı üreten) karışım kullanımı
107 Çoğu besleyiciler atmosfere açık tertiplenirlerse de, kör (kalıp içinde) besleyiciler de kullanılabilir. Parçaya yetecek miktardaki metalden fazla metal gerektirdiği ve katılaştıktan sonra parçadan kesildiğinden besleyiciler parça maliyetini arttırır. Bu sebepten yapılacak dizayn değişik1i ile besleyici kullanımından kaçınmak gereklidir. Ancak mutlaka besleyici kullanmak gerekebilir. Bu durumda besleyici ve parça arasındaki bağlantının durumu kadar şekli, boyutu ve yeri dikkate alınarak dizayn optimize edilmelidir. Bu kesitlerin soğumasının diğer ince kesitlerle aynı hızda gerçekleşmesini sağlamanın bir başka yolu da aşırı soğuma ihtimali olan kesitlerin boyutunu arttırmaktır (Pratikte sıcak yastık olarak adlandırılır).
Diğer bir yol katılaşma hızını arttırmak için kalın kesitlerdeki kalıp cidarına chill olarak adlandırılan soğutucu metal parçası yerleştirmektir. Soğutucular bulundukları bölgede soğuma hızını arttırarak bölgenin hızlı katılaşmasını sağlarlar (Şekil 98). Dış soğutucular döküm parçaya yapışmazlar veya kolayca ayrılabilirler. Mesela T şeklindeki sıcak bölgeler iç ve dış soğutucular kullanılarak daha hızlı soğutulabilir. Ayrıca o bölgelerde maça kullanmak ta mümkün olabilir. T birleşmelerdeki sıcak noktaları elemine etmek için baş vurulan çeşitli çözümler Şekil 99’da gösterilmiştir. Sıcaklık dağılımını kontrol etmek ve yönlü katılaşmayı sağlamak bir başka çözüm yoludur. Yalıtıcılar sadece harici olarak kullanılırlar. Çünkü bunlar dökülen metalden farklı malzemeden yapılırlar. Yalıtıcı malzemeler, asbest, çelik, alçı veya ısıyı iyi absorbe eden malzemelerden seçilirler. Maça kullanmak veya kesit azaltıcılarla üniform kalınlık elde edilir ve yönlü katılaşma sağlanabilir.
Şekil 98 - Büzülme sebebiyle meydana gelen boşlukları gidermek için kullanılan çeşitli tip iç ve dış soğutucular
108
Şekil 99 - T birleşmelerde iç ve dış soğutucuların kullanılması
İç soğutucular bir yay veya büyük başlı bir çivi şeklinde kalıp boşluğuna yerleştirilen metal parçalardır. İç soğutucular ısı absorbe ederek dökümü soğutur. Kendisi ise parçaya yapışarak dökümün bir parçası haline gelir. Bu soğutucular parçayı o bölgede zayıflattıklarından kullanımları sınırlandırılmıştır. Metalsel kalıp katılaşma sırasında metal üzerindeki basınç konsantrasyonunun aşırı artmasına sebep olur ve gerekli beslemeyi sağlar. Benzer olarak savurma ve yarı savurma dökümde metalin akışını sağlayan pozitif bir basınç olduğundan büzülme olmaz. Uygun yolluk dizaynı ile parçanın beslenmesi sağlanabilir ve katılaşma kontrol edilebilir. Uygun bir sistem; 1 - Hızlı metal akışına ve kalıbın çabuk dolmasına müsaade eder. 2- Özellikle kalıp boşluğu içinde metalin minimum türbülans ile akmasını sağlar. 3- Gazların emilmesini önler. 4 - Merkezden besleyicilere doğru gelişen bir katılaşmaya izin verir. 5 - Metalin aşırı hızlı akmasıyla kalıp cidarı veya yolluk sisteminin aşınmasına sebep olmaz. Aspirasyonu önlemek için düşey yolluklar tabana doğru konik olmalıdır. Metalin içinden geçerek kalıp boşluğuna ulaştığı yatay yolluk çok önemlidir. Bu kanal daha ziyade kalıbın bölme yüzeyine yerleştirilir. Normalde bir tek giriş yolluğundan ziyade büyük parçalarda daha fazla giriş yollukları kullanılır. Bu şekilde metal uygun yönlerde katılaşmayı sağlamak için çeşitli noktalardan kalıp boşluğuna sokulur. Yolluklar kalıbın üst tarafından da girebilir fakat tabandan veya yandan giriş kalıp boşluğunda daha az türbülanslı akış sağladığından
109 tercih edilir. Netice olarak yolluk bölme yüzeyine yerleştirilecekse, arzu edilen tarzda metal akışı sağlamak için, kalıp boşluğu bölme yüzeyi ile uyumlu yerleştirilmelidir. Düşey yolluğun cidarı genellikle ekzotermik malzemelerden yapılır. Düşey yolluk içindeki metali daha uzun süre sıvı halde tutabilmek için (böylece parçanın beslenmesi amaçlanır) metal döktükten sonra yapışkan bir ekzotermik malzeme düşey yolluğa ilave edilir. Daha önce bahsedildiği gibi kesişme bölgeleri büzülme boşluklarına sebep olabilir. Bu gibi kavşak bölgelerine dizayn sırasında özel önem verilmelidir. Kesişen bölgelerdeki cidarlarda karşı yönde büzülme meydana gelir. Katılaşma sırasında sıvı metal her tarafa ulaşmaya imkan bulamadığında metalin büzülmesi nedeniyle bir boşluk bölgesi gelişir (Şekil 100). Dentrit ve dentrit kolları arasında sıvı metal katılaştığı ve büzüldüğü zaman mikro boşluklar oluşur. Sonuçta da soğuma sırasında çatlamalar oluşur. Yüksek gerilme birikimi olmaması için hafif sapma meydana getirerek kirişleri çapraz yapmak bazı faydalar sağlar. Şekil 99.e ve, 101 ve 102, bu durumları göstermektedir.
Şekil 100 - Soğuma ve katılaşma sırasında metalin büzülmesi sebebiyle meydana gelen tipik boşluk örnekleri
Dizayn imkan veriyorsa bütün dökümlerde geniş ve düz cidarlardan kaçınılmalıdır. Bu tür yüzeyler soğuma sırasında çarpılmaya meyleder. Metal kalıba dökümde düz bir yüzeyin iyi görünümünü belli bir üretim periyodu boyunca devam ettirmek zordur. Çünkü ergimiş metal kalıpla reaksiyona girer ve zamanla kalıbın bozulması parça yüzeyine akseder. Metal kalıba dökümde özel öneme sahip diğer bir husus kalıpların bölme yüzeyini mümkün olduğunca parçanın kenarlarında oluşturmaktır.
110
Şekil 101 - Soğuma sırasında meydana gelen çatlamayı
Şekil 102 - Kavşak bölgelerinde yığılmayı
önlemek için kirişlerin çapraz dizayn edilmesi
önlemek için kirişlerin saptırılması
Bazı küçük metal fışkırması veya çapak genellikle bölme yüzeyinde meydana gelir. (Özellikle kalıp aşınması sebebiyle). Bu fışkırmalar giderildiği veya giderilmeyi gerektirmeyecek kadar hafif olduğu zaman parça üzerinde küçük bir iz kalacaktır. Eğer bu iz düz bir yüzeyin ortasında meydana gelecek olursa rahatlıkla göze çarpar durumdayken köşelerde genellikle dikkati çekmeyecektir. Bütün döküm dizayn şekillerinde minimum kesit kalınlığı dikkate alınmalıdır. Kesit kalınlıklarına ait ekonomik ve pratik bir talimat verilemez. Çünkü dökümün şekli ve boyutu, metal cinsi, döküm yöntemi ve her bir döküm hane pratiği neticeyi etkileyen faktörlerdir. Aşağıdaki tablo geçerli yolu göstermektedir.
Tablo 11 - Dökülen malzeme cinslerine göre döküm proseslerinde minimum ve uygun cidar kalınlıkları
111 Sonuç olarak döküm dizayncısının, herhangi bir imalat prosesininkinden daha fazla dökümhane ile yakın ilişki içinde çalışması gerektiği ortaya çıkmaktadır. Önemli döküm hataları aşağıda sıralanmıştır (Şekil 103).
1 - Üfleme delikleri, kabarcıklar ve oyuklar - döküm yüzeyinde boşluklar 2- Süreksizlikler ve pullanmalar - eksik dökümler 3 - Dalgalanma veya eksiklikler - metalin akışı nedeniyle sürüklenme yüzeyinde oluşan erozyon sonucu parçanın alt yüzeyindeki kabarma veya çukurlar 4 - Soğuk birleşme - sıvı metalin birbiriyle karşılaşması sırasında eksik birleşmeden doğan bir ara yüzey. Eğer bu ara yüzey bir oksit tabakası ile örtülürse daha zararlıdır.
Şekil 103- Yaygın döküm hatalarına bazı örnekler. Bu hatalar uygun parça dizaynı, kalıp hazırlanması ve ergitme ve dökmenin kontrolü ile giderilebilir veya azaltılabilir.
112 Açıklanan bazı problemler özetlenerek iyi ve kötü parça dizaynlarının karşılaştırılması Şekil 104’de verilmiştir. Ayrıca dökümlerdeki iç gerilmeler, diğer parçalarla montaj için parçanın kısmen işlenmesi gibi müteakip işlemler sırasında çarpılmalara sebep olabilir. Bu yüzden kritik uygulamalar için gerilme giderme gereklidir. Özel bir parça için döküm yönteminin seçimi (döküm işleminin genel özellikleri) Tablo 10’da belirtildiği gibi bir çok teknik ve ekonomik faktörlere bağlıdır. Ekonomik faktörler, dökülen metalin mukavemetine göre uygun cidar kalınlıklarının seçimini gerektirir. Kirişler ve geçişler gerilme konsantrasyonunu azaltacak ve döküm sırasında düzenli akış sağlayacak şekilde seçilmelidir.
Şekil 104 - Dökümlerde yaygın hataları azaltmak için teklif edilen bazı dizayn değişiklikleri. İyi dizaynın keskin olmayan köşeler, ün kesit ve metalin esnemesine müsaade eden şekilde olduğuna dikkat edilmelidir.
18 - INGOTLARIN DÖKÜMÜ Bir ingot genellikle müteakip prosesler için dizayn edilmiş özel kesit ve uzunlukta basit bir dökümdür. İngot, katılaştıktan sonra kolayca çıkması için genellikle konik bir kalıpta dökülür. Kalıbın tabanı açık veya kapalı olabilir ve bir ucu konik dizayn edilir (Şekil 105). Siyah noktalar oksit birikintileri veya katılaşma sırasında açığa çıkan gazların sebep olduğu boşluklardır (üfleme deliği). a) - Doymuş çelik. Bu çelik sağlam yapılı ve temiz bir çeliktir ve yüksek karbonlu çelikler bu şekilde dökülür. Üfleme delikleri yoktur fakat üst tarafta sakal şeklinde boşluklar bulunur. Bu boşluklu kısım kesilmek suretiyle giderilir. b) - Yarı doymuş çelik. Orta karbonlu plakalar ve yapısal elemanlar için dökülen bir ingottur. c) - Yüzeyde gaz
113 deliği ihtiva eden çelik, Düşük karbonlu çelikler için uygun bir ingottur. Bu ingotların yüzeyi hemen hemen saf demir bileşiklerini ihtiva eder.
Şekil 105- Çelik ingotların tipik katılaşma yapıları
İngot kalıpları genellikle % 3.5 karbonlu dökme demirden veya grafitten yapılır. Grafit demirden üç kat daha fazla termal kondüktüviteye sahiptir ve çok daha hafiftir fakat oldukça kırılgandır. Dolayısıyla küçük ingotlar için daha uygundur. Bakır esaslı alaşımların dökümünde kullanılan ince cidarlı bazı kalıplar su ile soğutulurlar. İngot dökümü düzenli bir şekilde kontrol edilmezse daha sonraki şekillendirme veya işlenme sırasında önemli rol oynayan boşluk gibi birçok düzensizliklere sahip olabilir. 18. 1 - Doymuş çelik Katılaşma sırasında emilen gaz miktarına bağlı olarak çelik ingotların üç tipi ortaya çıkar. Bunlar doymuş, yarı doymuş ve yüzeyi hava delikli tiplerdir. Doymuş çelik alüminyum, silisyum, ferrosilisyum, ferro mangan ve diğer dezoksidan elementlerin eriyik içine ilavesi ve potada bulunan sıvı metaldeki çözünmüş oksijenle reaksiyona girmesi suretiyle tamamen dezokside edilir. Bu elemanlar oksijene ilgi duyarlar ve metalik oksitler şeklinde bileşik oluştururlar. Alüminyum - Doymuş çelik dezoksidasyon ürünleri Al2O3, silikon ve SiO2’dir. Bu oksit bileşikleri, eğer yeterli büyüklükte ise ergimiş banyonun üzerinde yüzerler ve cürufa yapışırlar yada cüruf içinde çözünürler. Bu bakımdan tamamen doymuş çeliklerde gazların sebep olduğu boşluklar bulunmaz. Ayrıca yüzeye yakın geniş küresel delikler de yoktur. Fakat bu tip ingot Şekil 105.a’da görüldüğü gibi uzunlamasına çekme boşlukları ihtiva eder.
114 Şekil 97’de görüldüğü gibi bu hatalar ingotun üstüne ekzotermik bileşikler (sıcak kapak) örterek azaltılabilir. 18. 2 - Yarı doymuş çelik Yan doymuş çelikler kısmen dezokside edilirler. Bunlar çekme sebebiyle genellikle üst merkezi bölgede bazı boşluk veya gözenekler ihtiva ederler. Fakat bu gözenekler uzun olmayıp küçük olduklarından kolaylıkla giderilebilirler (Şekil 105.b). Borulaşma şeklindeki boşluklar o bölgede küçük boşlukların bulunuşu sebebiyle azaltılmıştır. 18. 3 - Yüzeyde gaz deliği ihtiva eden çelik Yüzeyi gözenekli çeliklerde oluşan gazlar, genellikle düşük karbon ihtiva eden çeliklerdir, alüminyum gibi elementlerin ilavesi ile kısmen kontrol edilirler. Karbon monoksit gazı ingotun dış cidarı boyunca delikler oluşturacak şekilde kalıp içinde yayılır. Bundan dolayı bu şekildeki gözenekler yüzey gözenekleri olarak tanımlanır (Şekil 105.c). Yüzey yakınındaki üfleme delikleri birincil üfleme delikleri, yüzeyden daha içerde olanlar ikincil üfleme delikleri olarak isimlendirilir. Üfleme delikleri genel olarak ingotun dış cidarında yoğunlaşmadıkça itiraz edilmez. Çünkü bu delikler yüzeyden içerde olduklarından atmosfer etkisiyle oksidasyona uğramazlar ve dövme ve haddeleme gibi plastik şekillendirme sırasında yüksek sıcaklıkta kaynayabilirler. Böylece sürekli ve homojen bir metal kütlesi elde edilir. Fakat ingot plastik deformasyona uğratılmadan kullanılırsa bu gözenekler kaliteye zararlıdır. İngotta yüzey gözenek hareketi ingotu kapatarak kontrol edilebilir. Bunun için bir kap ile kalıbın üstünü örterek basınç artırılır. Böylece üfleme deliklerinin oluşumuna mani olunur. 18. 4 – Özellikler Yukarda açıklanan üç tip ingotun avantaj ve dezavantajları aşağıdaki gibi özetlenebilir. Doymuş çelikler iyi ve üniform özellikleri ile homojen bir yapıya sahiptirler. Bu çeliklerin dökümü özel teknikler gerektirir ve boru şeklinde boşluklara sahiptirler. Aynı zamanda işlemeden sonra kötü bir yüzey kalitesi verirler.Yarı doymuş çelikler az boşluğa sahip olup artık dezoksidan maddeleri de ihtiva ederler. Ayrıca imalat için ekonomik olmalarına rağmen üfleme deliklerinin giderilmesi veya azaltılması için plastik deformasyona tabi tutulmaları gerekir. İşleme sonrası yüzey kaliteleri kötüdür. Alaşım seçimi sınırlı olup dezoksidanların kontrolü gereklidir. Yüzeyde delik ihtiva eden çelikler içerde ya boşluksuzdurlar veya çok küçük boşluk ihtiva ederler. İyi yüzey kalitesi ile sünek bir cidara sahiptirler. Fakat birincil üfleme delikleri, eğer doğru kontrol edilmezlerse cidarı baştan başa kesintiye uğratırlar. Bu çeliklerde alaşımların bileşim ayarlaması sınırlıdır. Öte yandan safsızlıkların bileşikleri
115 ingotun merkezine doğru toplanırlar. Demir dışı metal ve alaşımların ingotlarının dökümü bazen daha az karmaşıktır. 19 - KRİSTAL BÜYÜTME: YÖNLÜ KATILAŞMA VE TEK KRİSTAL Yarı iletken endüstrisindeki gelişmelere paralel olarak tek kristal büyütme yan iletkenlerin imalatında önemli bir basamaktır. Kristal büyütmenin iki yolu mevcuttur. Kristal çekme metodunda (Şekil 106.a), yarı iletken malzeme ergitilir ve yüzeyi küçük bir tek kristal tanesi ile temas ettirilir. Sonra döndürülerek yavaşça çekilir. Sıvı metal tek kristal tanesi üzerinde katılaşmaya başlar ve tanenin kristal yapısı devam eder. Özel özellikler kazandırmak için sıvı metale dopantlar (alaşım elemanları ) ilave edilebilir. Ergime noktası 1000°C’nin altında olan germanyum ve diğer metallerin tek kristali bu prosesle yapılır.
Şekil 106 - İki kristal büyütme metodu. a) Çekilen kristal, b) - Yüzdürme bölgesi metodu
Silikon gibi yüksek ergime dereceli malzemelerde alaşımlandırma ve kirlenme bir problem olabilir. Bu malzemelerin tek kristali yüzdürme bölgesi yöntemi kullanılarak yapılabilir (Şekil 106 b). Tek kristal bir çubuk üzerine dayanan polikristal silikon bir çubuk yavaşça yukarı hareket ettirilirken iki parçada radyo frekans bir ısı kaynağı ile ısıtılır. Yukarı doğru büyüyen tek kristal ince plaka şeklinde kesildikten sonra temizlenir ve transistörler gibi cihazların yapımı için parlatılır. Özel uygulamalar için parçalar üretmeye yönelik teknikler geliştirilmiştir. Türbin kanalları ve paletler bu konuya en iyi örnekleri teşkil ederler. Bu kanatlar yönlendirilmiş özellikleri sebebiyle veya tane sınırlarının olmayışı sebebiyle (single veya mono kristal), yüksek sıcaklığa mukavemet, iyi sürünme özellikleri, süneklilik ve termal şoklara iyi direnç gösterirler.
116 20 - DÖKÜM ALAŞIMLARI Döküm için alaşım seçiminde, mekanik ve fiziksel özellikler, maliyet, görünüş ve özel ihtiyaçlar gibi faktörler dikkate alınır. Döküm alaşımları demir ve demir dışı olarak sınıflandırılır. Alüminyum ve magnezyum esaslı alaşımlar hafif metal dökümü olarak bilinir. Çeşitli alaşımların önemli döküm özellikleri aşağıda verilmiştir. Döküm metallerinin mekanik özellikleri Şekil 107’ de belirtilmiştir. Tablo 12 ve 13 bu alaşımların uygulama alanlarını ve özelliklerini özetlemektedir.
Şekil 107- Çeşitli döküm alaşım gruplarının mekanik özellikleri
117 Tablo 12- Döküm alaşımları için tipik uygulama alanları ve alaşımın özellikleri
118 Tablo 13-Demir dışı dökme alaşımların özellikleri ve tipik uygulamaları
119 Tablo 13 devamı
20. 1 - Demir dışı döküm alaşımları 20. 1. 1 - Alüminyum esaslı alaşımlar Bu grup çeşitli sertleşme mekanizmaları ve ısıl işlemler uygulanabilme sebebiyle geniş bir mekanik özellik aralığına sahiptir. Bu alaşımlar yüksek elektrik iletkenliği ve çoğu ortamlara karşı iyi korozyon direncine sahiptirler. Toksit (zehirli) olmayan bu alaşımlar hafiftirler ve iyi talaşlı işlenebilirliğe sahiptirler. Mimari ve dekoratif alanı da kapsayan geniş bir uygulama alanı vardır. Fakat silisyumlu alaşımı hariç genellikle düşük aşınma ve abrazyon direnci gösterirler. Alkalilere temayülü fazladır. Döküm sırasında akıcı alaşım elemanları ve oksitlerin bulunuşuna bağlıdır. 20. 1. 2 - Magnezyum esaslı alaşımlar Bu alaşımlar, bütün ticari döküm alaşımlarının en düşük yoğunluğa sahip olanlarıdır. İyi korozyon direncine sahiptirler ve asıl işleme bağlı olarak orta mukavemetlidirler. 20. 1. 3 - Bakır esaslı alaşımlar Pahalı olmalarına rağmen bu alaşımlar, yatak malzemeleri için uygun aşınma direncine sahip olmaları yanında iyi elektrik ve termal iletkenlik, korozyon direnci ve zehirsizlik avantajlarına da sahiptirler. Akıcılık ve mekanik özellikleri değişik alaşım elementleri tarafından belirlenir.
120 20. 1. 4 - Çinko esaslı alaşımlar Düşük ergime derecesine sahip bu grup alaşımlar, değişik yapısal uygulamalar için yeterli mukavemet ve iyi akıcılık özelliği gösterirler. Bu alaşımlar genellikle metal kalıba dökülürler. 20. 1. 5 - Nikel ve Kobalt esaslı, yüksek sıcaklığa dayanıklı refrakter alaşımlar Bu alaşımlar, yüksek sıcaklığa dayanım ve uygun özellikler gerektiren parçalar için kullanılırlar. Bunlar, jet ve roket motoru parçaları gibi kritik uygulamalar için özel tekniklerle dökülebilirler.Bu metallerin bazıları diğer imalat metotlarıyla şekillendirmeye göre döküm için daha uygundurlar. 20. 2- Çelikler Yüksek ergime sıcaklığından dolayı çeliklerin dökümü önemli bilgi ve tecrübeyi gerektirir. Çelikler, katılaşma sırasında fazla büzüldüklerinden çekmeye müsaade edecek uygun kalıp dizaynı ve büyük çıkıcılara ihtiyaç gösterirler. Yüksek sıcaklıkta ergitme ve dökmede kalıp malzemesi seçimi ve özellikle çeliğin oksijenle yüksek aktivitesi açısından bazı problemler vardır. Diğer taraftan çelik dökümler mekanik işleme ile imal edilenlerden daha üniform (izotropik) özelliklere sahiptirler. Aynı zamanda kaynak sırasında meydana gelen ısı nedeniyle özellik değişmesi olmaksızın kaynak edilebilirler. 20. 3 - Dökme demirler Dökme demirler, bütün metal dökümlerin en büyük miktarını oluştururlar. Dökme demirler, genellikle aşınma direnci, sertlik, korozyon direnci ve iyi işlenebilirlik gibi arzu edilen özelliklere sahiptirler. Bu malzemelerden karmaşık şekilli parçaları kolaylıkla dökmek mümkündür.
Dökme demirler, % 4’e kadar karbon ve % 3.5’e kadar silisyum ihtiva eden alaşımlardır (Şekil 108). Dökme demir terimi, bir alaşım ailesi grubuna şamildir. Daha özel olarak şu katagoriye ayrılırlar. Gri demir (kır dökme demir), beyaz dökme demir, temper demir ve nodüler dökme demir (veya sünek, sfero yada küresel grafitli dökme demir). Bu dökme demirlerin herbirinin önemli özellikleri aşağıda verilmiştir (Tablo 14).
121
Şekil 108 - Çelik ve dökme demirlerde karbon ve silisyum aralığı. Beyaz dökme demir temper demir elde etmek için tavlanır ve demir karbür, demir ve grafit şeklinde ayrışır. Silisyum, dökme demirde önemli bir elemandır ve sementitin (demir karbür) ferrit ve karbon şeklinde parçalanmasını teşvik eder. Aksi takdirde büyük miktarda sementit bulunuşu dökme demiri, beyaz dökme demirde olduğu gibi çok sert ve kırılgan yapar. Diğer alaşım elemanları ve soğuma hızı dökme demirin mikro yapısı ve özellikleri üzerinde çeşitli etkilere sahiptir.
20. 3. 1 - Kır dökme demir Kır dökme demirde grafit lamel şeklinde bulunur. Kırıldığı zaman kırılma yüzeyi, gri ve isli görünümde olduğu için bu isim verilmiştir. Kırılma izi grafit lamellerinin boyuna yönlüdür. Bu lameller gerilme kaynağı olarak davranır ve bu demir ihmal edilebilir sünekliliktedir. Fakat grafit lamellerinin bulunuşu, bu lamellerin sebep olduğu iç sürtünme yüzünden, malzemeye yüksek titreşim söndürme kabiliyeti kazandırır. Bu yüzden kır dökme demir makina gövdeleri için uygundur. Döküm kabiliyetleri iyidir ve çok az büzülme ve gaz boşlukları verirler. Kır dökme demirin diğer çeşitleri, ferritik, perlitik ve martenzitik olan kır dökme demirlerdir. Her biri farklı yapıya sahip olduklarından farklı özellik gösterirler. Kır dökme demirin tipik
122 uygulamaları motor blokları, makina gövdeleri, pis su boruları, elektrik motor gövdeleri, borular ve aşınmaya maruz diğer parçalardır. Kır dökme demirler ASTM standartlarına göre iki rakamlı sayısal düzenleme ile belirtilirler. Buna göre mesela; sınıf 20, minimum çekme gerilmesi 20000 psi (140 MPa) olan kır dökme demiri belirtir. 20. 3. 2 - Beyaz dökme demir Bu dökme demirler büyük demir karbür miktarından dolayı sert ve kırılgandır (grafit yoktur). Kırılmış yapının görünümü beyaz kristal şeklinde olduğundan bu isim verilir. İyi aşınma direnci sebebiyle, abrasiv malzemeyi işleyen kalafatlar, hadde merdaneleri ve vagon fren papuçları gibi uygulamalar için geniş çapta kullanılırlar. 20. 3. 3 - Temper dökme demir Bu yapıda karbon grafit yumakçıkları şeklinde bulunur. Bu durum süneklilik ve darbe direncini arttırır. Bu yüzden “temper” (yumuşak) terimi kullanılmaktadır. Temper demir, beyaz dökme demirin tavlanması ile elde edilir. Böylece demir karbür, demir ve grafit şeklinde ayrışır. Temper demirin yaygın kullanım yerleri; vagon ekipmanları ve çeşitli hırdavatlardır. Temper demirler beş rakamla sembolize edilirler. Mesela; 35018, akma mukavemeti 35 000 psi (240 MPa ) ve 50 mm’lik boyda uzaması % 18 olan bir temper demiri gösterir. 20. 3. 4 - Küresel grafitli dökme demir ( Nodüler veya Sfero dökme demir ) Bu dökme demirde grafitler küre şeklindedirler. Bu şekildeki grafıtler demirin sünekliliğini ve dolaysıyla darbe dayanımını arttırır. Küresel grafitli dökme demir, sıvı metale dökümden önce az miktarda magnezyum veya seryum ilavesi ile elde edilir. Bu demir, borular, krank milleti ve diğer makina parçalarının yapımında kullanılır. Nodüler demir iki rakamlı bir sayı grubuyla gösterilir. Mesela; 80- 55- 06: 80000 psi (550 MPa) minimum çekme mukavemeti, 55 000 psi (380 MPa) minimum akma mukavemeti ve 50 mm’lik boyda % 6 uzaması olan bir küresel grafitli dökme demiri gösterir. 20. 3. 5 - Kompakt ( özlü ) grafitli dökme demir Bu yapıdaki grafit, kısa ve kalın lamel şeklinde, uçları yuvarlak ve ondüle olmuş durumdadır. Bu tür dökme demirin mekanik ve fiziksel özellikleri, kır dökme ve nodüler dökme demir arasındadır. Tipik uygulamaları, disk - fren rotorları ve dizel motor başlıklarıdır.
123
Tablo 14 - Dökme demirlerin özellikleri ve uygulama alanları
124 Özet 1 - Döküm, ingot şeklinde yarı mamul malzeme sağlayan temel bir prosestir. Bu yarı mamul malzeme bir dövme prosesiyle (plakalar gibi) mekanik olarak işlenir. ikinci olarak çok değişik boyutlarda karışık parçaların imalatını mümkün kılar. 2 - Sıvı metalin kalıp boşluğuna dökülmesi ve soğumaya bırakılması ile gerçekleşen bir katılaşma prosesidir. Bu bakımdan sıvı metalin kalıp boşluğunda düzenli olarak akışını sağlamak için uygun kalıp dizaynı ile akışkan hareketi ve ısı transferi önemli parametrelerdir. 3 - Bütün metaller (kır dökme demir hariç) katılaşma sırasında büzülme gösterdiklerinden dökümde boşluklar meydana gelebilir. Çünkü katılaşma ilk olarak kalıp duvarlarından başlar. Bu boşluklardan iç ve dış soğutucular kullanarak ve yeterli sıvı metal besleyerek sakınılabilir. Kontrol edilmedikçe, katılaşma sırasında meydana gelen gazların sebep olduğu boşluklar ortaya çıkabilir. 4 - Arzu edilen mekanik özelliklerin elde edilmesi için dökümlerin iç yapıları çeşitli yol ve alaşım elementleriyle kontrol edilebilir. 5 - Bir çok uygulamalar için çok sayıda döküm yöntemi geliştirilmiştir. Mesela türbin kanatları günümüzde ya alışılagelmiş şekilde veya tane sınırı olmayan tek kristal yöntemi ile dökülebilir. Böylece bu kanatların yüksek sıcaklığa dirençleri geliştirilebilir. 6 - Demir ve demir dışı alaşımlar geniş bir imalat alanı için kullanılır. Örnek olarak, motor blokları, makine gövdeleri, vagon dingilleri, krank milleri, pompa ve valf elemanları, transmisyon parçaları ve kalıp blokları verilebilir.
BÖLÜM-II
KAYNAK TEKNİĞİ
125 1 - BAĞLAMA VE BİRLEŞTİRME İŞLEMLERİ 1.1. GİRİŞ Bazıları dışında bütün mamüller, makinalar veya konstrüksiyonlar ayrı ayrı parçaların birleştirilmesinden meydana gelmiştir. Ayrı parçalar şeklinde imalat, ya ürünün imalatını kolaylaştırma, taşınmasına yardımcı olma veya ekonomik sebeplerden dolayı yapılır. Dolayısıyla bağlama ve birleştirme metotlarının dizayn ve imalat safhalarının temel bir parçası olduğu görülür. Genel olarak vidalar, cıvatalar, perçinler ve bunun gibi bağlayıcılar bağlama için, kaynak, yapıştırma sert ve yumuşak lehimleme ise birleştirme için kullanılır. Kullanılacak birleştirme tipinin seçiminde ekonomik faktörlere ilave olarak önemli teknik hususlar da vardır. Mesela takım tezgahları gibi makinaların sağlamlık ve dinamik karakteristikleri sadece dizayn ve kullanılacak malzemeye bağlı olmayıp değişik parçaların nasıl monte edileceğine (birleştirme yöntemine) de bağlıdır. Mesela civatalı birleştirmeler kaynak gibi çözülemez şekilde birleştirilmiş konstrüksiyonlardan daha iyi titreşim söndürme kapasitesine sahiptir. Daha da ötesi bu parçalardan, fonksiyonel amaçlar için farklı bölgeler de farklı özellikler arzu edilebilir. Mesela sürtünme ve aşınmaya maruz yüzeyler parçanın iç kısmından farklı özellikler gerektirebilir. Örnek olarak talaş kaldırma amacıyla kullanılan karbür kesme ucu, takım sapına sert lehimleme ile bağlanır. Bir köprü veya makina parçası kaynak ile sabit veya bir motor bloğu üzerindeki civatalar gibi yarı sabit (çözülebilir) birleştirilebilir. Diğer değişik bağlantılar ise yarı sabit şekilde olabilir. 2 - MEKANİK BİRLEŞTİRME METOTLARI İmalatta çoğu montajlar bazı mekanik bağlayıcılarla en iyi şekilde yapılabilir. Civata, vida, perçin veya gerdirmeli bağlayıcılar bu amaçla kullanılabilir. Bu durumda birleşme, mekanik kilitlenme veya ergime olmadan gerçekleştirilir. İki veya daha fazla parça kolayca çözülebilecek şekilde birleştirilecekse en genel metot civata, somun ve vidalar gibi dişleri ile birleştiren bağlayıcıların kullanılmasıdır. Genel olarak bu bağlantılarda bağlama elemanlarının girmesi için parçalar üzerinde delikler olması gerekir. Bağlayıcıların tipi ve bağlanacak parçaların ara yüzeylerin durumuna göre bağlantılar kesilme ve çekme gerilmesine maruz kalabilir. Bundan dolayı bağlantının kesme ve çekme yönündeki kuvvetlere direnç göstermesi gerekli olabilir. Civatalı bağlayıcılar için özel diş boyut standartları, toleranslar, mukavemet ve kullanılan malzemenin kalitesi gibi geniş bir faktörler grubu vardır. Eğer bağlama elemanı titreşime maruz ise özel olarak dizayn edilmiş somun ve kilitleme rondelaları mevcuttur. Bu elemanların ana gayeleri burulma yönünde sürtünme direncini arttırmaktır. Böylece bağlama elemanının gevşemesi önlenir.
126 Civata, vida, somun (rondela gibi aksesuarla birlikte), perçin, zımba telleri ve tel çengeller gibi çabuk çıkarılan bağlayıcılar, parçalı bağlayıcı grubuna girerler. 27 milyarı yalnız otomotiv endüstrisinde olmak üzere Amerikan Sanayi’nde yıllık tahminen 150 milyar bu tür bağlayıcılar kullanılır. Bir demiryolu vagonu 1200 mekanik bağlayıcı gerektirirken, nümerik kontrollü bir torna tezgahı 1700 ve standart bir telefon makinası 70 ten fazla mekanik bağlayıcı gerektirir. Çeşitliliğin çok fazla olması yanında eğer mümkünse mevcut parça için uygun ve optimum bir bağlayıcı seçmek gerekir. Şekil 1’de çeşitli tip mekanik bağlama elemanları görülmektedir. 2.1- Perçinleme Sürekli (çözülmez) mekanik bağlantılar için en genel bağlama elemanları 2- 3 bin yıl evvelden beri kullanılan perçinlerdir (Şekil 2). Perçinlemede bağlanacak elemanlar üzerine delik açılır. Bir perçin bağlantısı perçinin bir ucu deliğe geçirildikten sonra ezilmesi(deforme edilmesi) suretiyle yapılır. Bu operasyon uzatma veya şişirme gibi mekanik işlemlerle veya perçin boşluğunda patlayıcıların kullanılması ile gerçekleştirilir. Yapıya gelecek yüklemenin tipinin dikkatli bir şekilde gözönüne alınmasını gerektiren perçinli bağlantıların dizaynında perçin deliğinin ölçüsü ve boşluğu, perçinle bağlanacak parça malzemelerinin uygunluğu ve bağlantının mukavemet özelliklerine etkileri mutlaka etüt edilmelidir. Deliğin varlığı (bir gerilme kaynağı olarak davrandığı için) yorulma tehlikesi açısından, perçinlenmiş bağlantılarda genel bir problemdir. Özellikle havacılık sanayi gibi titreşimin olduğu yapılarda özel önem arz eder. 2.2- Delik Hazırlama Birçok bağlama metotları delikler vasıtasıyla gerçekleştirildiğinden delik hazırlama bağlantı dizaynında önemli bir konudur. Bir delik delinerek veya zımbalanarak meydana getirilebilir. Bu delik hazırlama metodundaki temel farklılık delik yüzey kalitesi, yapısı ve boyutsal özellikleridir.Yorulmaya olan meyli azaltabilmek için deliğin iç yüzeyindeki yoğun iç gerilmeleri uyarmak gerekebilir. Bu ise yuvarlak bir pim çakılarak deliğin çok az bir miktarda genişletilmesi ile iyi bir şekilde yapılabilir. Bu işlem, fırçayla parlatma veya soymaya benzer bir yolla deliğin yüzey tabakasını plastik deformasyona uğratır ve delikteki çevresel iç gerilmeleri uyarır (Şekil 3). Bağlanacak parçaların malzemesi ile perçin veya civata malzemelerinin uygunluğu galvanik korozyon nedeniyle önemli bir konudur. Mesela bakır plakaları bağlamak için çelik bir perçin kullanılırsa çelik anodik, bakır katodik olduğu için hızlı bir korozyon oluşur. Bu olay bakırın alüminyum veya çinko bağlayıcılar ile bağlanması
127 durumunda da meydana gelir. Bağlayıcılar için uygun malzeme seçiminin önemini belirten sonsuz örnek verilebilir.
Şekil 1 - Yaygın olarak kullanılan çeşitli tip mekanik bağlama elemanları
128
Şekil 2- Perçinlerden seçilmiş örnekler. Perçinler genellikle çözülemez bağlantılardandır. Çelik konstrüksiyonlar ve havacılık endüstrisinde yaygın olarak kullanılırlar.
Şekil 3-7075- T6 Alüminyumun yorulma dayanımına delik hazırlamanın etkisi Yorulma mukavemetindeki iyileşme, deliğin yüzeyine bir pim tarafından uygulanan kısmi basma artık gerilmeleri ile elde edilir.
2. 3 - Diğer Mekanik Birleştirme İşlemleri Mekanik bağlamanın bir başka metodu da zımbalamadır. Bu proses alışılagelmiş bir dikiş makinası ile dikmeye çok benzer. Önceden delinmiş bir delik gerektirmez. Özellikle metal ve metal olmayan ince malzemelerin birleştirilmesinde kullanılır. Mobilya döşemeleri buna en çarpımcı örnektir. Mekanik bağlama civata, perçin veya zımba kullanılmadan da yapılabilir. Birleştirme, montajın bazı bölgeleriyle birbirine giren veya kilitlenen parçaların mekanik olarak tutturulmasıyla oluşturulur. Yaygın olarak sac metal parçalara uygulanır. Sivri uçlu veya kesilerek şekillendirilmiş şeritler, ekstrude edilmiş delik flanşları, kabartmalı parçalar,
129 açılı contalar ve dalgalı sacları bu tür bağlantıya örnek olarak verebiliriz. Ayrıca bu tip birleştirmenin tipik örnekleri Şekil 4’de gösterilmiştir. Bu işlem “kenet yapma” diye isimlendirilir. İçecek ve mutfak kapları (kutuları) en genel yaygın örnekler olarak verilebilir. Malzeme çok küçük yarıçapta eğilebilmelidir. Aksi halde çatlamalar olur ve sızdırmazlık sağlanamaz. Bu tür kenetler, kalite ve emniyeti arttırmak için ara yüzeylerde yapıştırma veya diğer kaplama usulleriyle desteklenebilir. Şekil 4’de gösterildiği gibi bir kordon veya faturadan faydalanarak faturalı birleştirme yapılabilir. Bu işlemler boru gibi parçalara uygulanabilir. Bir teneke kabın üst tarafına açılı bir conta yerleştirmek ve müteakiben bağlanan bir faturalı parçayı flanşa oturtmak örnek olarak verilebilir. Malzemeler geniş bölgesel deformasyona imkan verecek şekilde sünek ve yeterli incelikte olmalıdır.
Şekil 4 - Mekanik birleştirme örnekleri ( kenetleme ve faturalı birleştirme)
2. 4- Bağlayıcılardaki Problemler Mekanik olarak bağlanmış parçalarda bağlayıcılar bazen kolayca tahrip olabilir. Bu tür hataların sebebi genel olarak şu dört hususun biriyle ilgilidir. 1 - Bağlayıcı dizayn ve imalat teknikleri 2 - Bağlayıcı malzemesi 3 - Birleşme dizaynı 4- Tesisat ve detayları
130 Bağlama elemanları yetersiz mukavemet veya korozyon direncine sahip olabileceği gibi hidrojen gevrekliği de taşıyabilirler. Sistem çok aşırı veya çok az ön yükle yüklenmiş olabilir. Birleşme yüzeyleri düz veya paralel olmayabilir veya civata başı altındaki alan yükü karşılayamayacak şekilde yetersiz olabilir. Titreşimin sebep olduğu gevşeme ve yorulma, tahribatın yaygın sebeplerindendir. Uygun dizayn ve uygun bağlama elemanı seçimi ile hemen hemen bütün bağlayıcı tahribatlarından kaçınılabilir. Çalışma ortamı, gerekli mukavemet ve titreşimin frekansı ve büyüklüğüne dikkat edilmelidir. Ağırlık tasarrufu ve çözmedeki kolaylık kararı etkileyecektir. Gerekli özelleştirmenin mümkün olduğu ve az çeşitlilik arzeden her yerde standart bağlama elemanları kullanılmalıdır. Bağlayıcı dizaynında baş ve gövde geçişleri, yuvarlatılmış dişler ve korozyona dirençli kaplamalar dikkate alınmalıdır. Birleştirme dizaynında çapaklı ve aşırı büyük deliklerden sakınılmalı ve kuvvetlendirme sağlanmalıdır. 3- KAYNAK İŞLEMLERİ 3.1-Giriş Kaynak; iki malzemenin, genellikle metallerin, ısı, basınç, ve metalürjik şartların uygun bir kombinasyonu ile tamamen bölgesel bir şekilde çözülmez olarak birleştirilmesi işlemidir. Basınç ve sıcaklık kombinasyonu; basınçsız yüksek sıcaklık veya yüksek basınç sabit sıcaklık şeklinde çok geniş değişik şartları kapsadığından kaynak şartları da çok değişik olacaktır. Buna paralel olarak çok değişik kaynak yöntemleri geliştirilmiş ve imalatta kullanılmaktadır. İki metal arasında birleşme temin etmek için birleşecek parçaların atomları arasında yeteri derecede yakınlaşma ve difüzyon olması gerekir. Ancak böylece metalik kristallerin oluşumu sağlanabilir. İdeal bir metalürjik birleşme (bağ) için şu şartların sağlanması gerekir : 1 - Düz veya dalgalı olmayan uygun yüzeyler 2 - Oksit, gaz, yağ veya diğer kirliliklerden arındırılmış temiz yüzeyler 3 - Birleştirilecek metallerde safsızlıkların bulunmaması 4 - Metallerin her ikisi de aynı kristalografik yönlenme ile aynı kristali sağlayabilmeli Bu şartların hepsini aynı anda sağlamak oldukça zordur. Ancak olumsuzlukları gidererek bu ideal şartlara yaklaşmak için çeşitli kaynak yöntemleri geliştirilmiştir. Yüzey kabalığı, ya bir kuvvet yardımıyla pürüzlerin plastik deformasyonunu sağlayarak veya iki yüzeyi ergiterek giderilir ve birleşme sağlanabilir. Katı faz kaynaklarında kirlenmiş tabakalar kaynaktan önce mekanik veya kimyasal yolla veya kaynak bölgesinden yeterli miktarda metal taşmasını sağlayarak giderilir. Ergitme kaynağında ise ergiyen bölgedeki kirlenmeler toz halindeki
131 temizleyiciler ile giderilir. Eğer kaynak işlemi bir vakum ortamında gerçekleştirilecekse kirlenme olmaz ve sağlam bir birleşme sağlanır. Böylece geçme parçalar hafif bir kuvvetle kaynatılabilir. Çeşitli kaynak prosesleri sadece yöntem bakımından farklılıklar göstermeyip (sıcaklık ve basıncın birlikte kullanıldığı tarzda) aynı zamanda kaynaktan önce metal yüzeyinin temizlenmesi ve kaynak sırasında metalin kirlenmesi veya oksitlenmesi ihtimali karşısında özel tedbir gerektirip gerektirmemesi bakımından da önemli farklılıklar gösterirler. Yüksek sıcaklıkların kullanılması durumunda çoğu metaller çevre şartlarından kolayca etkilenirler. Bu çerçevede ısınma ve soğuma neticesinde metalin metalürjik yapısı ve kalitesi etkilenebilir. Özet olarak iyi bir kaynak bağı elde edebilmek için; yeterli ısı veya basınç ekipmanına, metali temizleme ve koruma vasıtalarına sahip olmak ve zararlı metalürjik etkilerden sakınmak gerekir. 3. 2 - Kaynak İşlemlerinin Sınıflandırılması Çok küçük elektronik parçaların veya büyük konstrüksiyonların birleştirilmesinde kullanılan kaynak prosesleri çok çeşitli olup farklı enerji kaynağı kullanırlar. Kaynak için gerekli enerji değişik ortamlardan elde edilebilir. Kaynak yöntemlerinin gerektirdiği değişik enerji kaynakları, mekanik, elektrik, kimyasal, optik ve katı hal sıcaklığı gibi farklı şartlar olabilir. Birleşmiş olan iki yüzey arasındaki bağın tabiatı çok karmaşık olduğundan kullanılan enerjinin cinsi her zaman belirlenemeyebilir. Mesela, ultrasonik, sürtünme ve patlamalı kaynak gibi prosesler birleştirilecek yüzeyler arasında izafi hareket şeklinde mekanik enerji kullanırlar. Fakat birleşme mekanizmaları diffüzyon prosesini ihtiva etmez. Elektrik enerjisi kullanan alın kaynağı gibi proseslerde birleşmeyi tamamlamak ve iyi bir mukavemet sağlamak için hareket ve mekanik kuvvet kullanılır. Ark ve direnç kaynakları elektrik enerjisi kullanırken kimyasal enerji, gaz ergitme ve termit kaynaklarında kullanılır. Buradaki kimyasal enerjiler ısıya dönüşür. Optik enerji kullanılan iki önemli birleştirme prosesi Lazer ve Elektron ışın kaynaklarıdır. Bu proseslerde yüksek güç yoğunluklu ışınlar odaklanarak birleştirilecek parçaların dar bir bölgesine gönderilir. Katı hal enerji kaynakları diffüzyon prosesine dayanır. Bağın mukavemeti, sıcaklık, zaman ve birleşecek arayüzeydeki basınç parametrelerine bağlıdır.
132 Yukarıda açıklanan unsurlar, parça şekli ve ekipman farkını da beraberinde getirirler. Bu bakımdan geniş bir şekilde alt bölümlere ayrılabilir. Şekil 5’de gösterildiği gibi Amerikan Kaynak Cemiyeti tarafından çeşitli kaynak işlemleri belirlenmiş ve sınıflandırılmıştır. Çok genel bir sınıflandırma katı ve sıvı fazda kaynak şeklinde yapılabilir.Bu prosesler yukarıda sayılan gerekleri çeşitli şekilde karşılarlar ve hemen hemen bütün metal veya alaşımlarda etkili ve ekonomik bir bağlantı gerçekleştirirler. Dolaysıyla üzerinde bir veya daha fazla kaynak bağlantısı bulunan mamul sayısı, çözülebilir birleştirme yöntemleriyle imal edilenlerden fazladır. Bu kitabın amacına uygun olarak aşağıda alt bölümleri ile verilen ve endüstriyel öneme sahip birleştirme prosesleri açıklanacaktır. Sert ve yumuşak lehimleme ile yapıştırma açıklanacak diğer konuları arasındadır. 3.3- Katı Fazda Birleştirme Sürtünme - adhezyon teorisinde belirlendiği gibi iki temiz yüzey temas ettiği zaman mikro kaynak bağları oluşur. Oluşan bağın mukavemeti diğer faktörler yanında yüzeyin temizliğine bağlıdır. İdeal şartlar altında, yani yüzeye absorbe edilmiş gaz veya sıvı tabakası, oksit ve diğer kirleticilerin bulunmayışı durumunda, atomlar arası bir bağ oluşacak şekilde yüzeyler birbirine kapanır. Uygulanan basınç, temas zamanı ve ara yüzeydeki sıcaklık, oluşan bağın mukavemetini belirleyen önemli faktörlerdir. Bu parametrelerin bir veya birkaçının artması ile ara yüzeydeki difüzyon hızlanarak kuvvetli bir bağ oluşur. Yüzeylerin temizlik derecesine bağlı olarak normal bir yük altında gerçekleştirilecek izafi bir hareket, yüzeyleri mekanik olarak etkileyerek oksit tabakalarını parçalar ve yeni yüzeyler oluşturur. Böylece adhezyon gelişir.
133
Şekil 5- Kaynak ve yardımcı proseslerin sınıflandırılması
134 Görülmektedir ki bu birleşme mekanizması, iki benzer veya farklı malzemeleri birleştirme prosesi olarak kullanılabilir. İşlem oda sıcaklığında yapılabildiği gibi malzemelere dışarıdan ısı vererek veya ara yüzeyde oluşturulacak sürtünme sıcaklığından yararlanarak da gerçekleştirilebilir. Bu birleştirme şeklinde yüzeyler arasında sıvı bir faz yoktur. Katı fazda birleştirme iki kısma ayrılabilir. Bunlardan birinde ara yüzeyde plastik deformasyon oluşturularak birleşme sağlanır. Diğerinde ise difüzyon için gerekli yüksek sıcaklıkları çeşitli yollarla sağlayarak daha etkili bir birleştirme meydana getirilir. Plastik deformasyon yardımı ile gerçekleştirilen birleştirme günümüzde başlı başına birleştirme yöntemi olarak kullanılan şu alt gruplara ayrılabilir: Bunlar; soğuk veya soğuk basınç kaynağı, patlamalı kaynak ve ultrasonik kaynak yöntemlerdir. Difüzyon ve sıcaklık yardımı ile birleştirme ise dövme kaynağı, difüzyon kaynağı ve sürtünme kaynağı olarak sayılabilir. Şimdi sırasıyla bu kaynak usullerini inceleyelim. 3.3. 1- Soğuk Kaynak Katı fazda bir proses olan soğuk kaynak iş parçalarının ısıtılmadığı fakat kalıp veya merdaneler vasıtasıyla basınç uygulanan dövme kaynağının değişik bir çeşididir. Birleşme, basıncın ani olarak uygulanması ile sağlanır. Birleşme plastik deformasyon mekanizmasıyla sağlandığından birleştirilecek malzemelerin en az biri veya tercihen ikisi de sünek ve ara yüzeylerinin temiz olması gerekir. Yüzeyler kaynaktan önce tel bir fırça yardımı ile temizlenerek temas ettirilir. Temas ettirilen yüzeyler arasında % 30-50 soğuk şekil değiştirme (deformasyon) olacak şekilde bölgesel basınç uygulanır. Basınç, bir preste özel bir takım kullanarak veya iki merdane vasıtasıyla sağlanır. Merdaneler kullanıldığında proses hadde kaynağı adını alır. Metallerin aşırı soğuk deformasyonu nedeniyle az miktarda ısı açığa çıkmasına rağmen yüksek bölgesel basınç birleştirme temininde en önemli faktördür. Soğuk kaynakta elde edilen birleşme Şekil 6’da gösterilmiştir. Bu yöntem genellikle şekilde gösterilen elektriki bağlantılar gibi küçük parçaların birleştirilmesinde kullanılır. Fakat frezeli miller gibi yuvarlak parçalar da sıcak veya soğuk olarak iki veya daha fazla levha ile birleştirilebilir. Burada önemle ifade etmek gerekir ki farklı metallerin birleştirilmesinde ara yüzeyde müşterek bir çözülme meydana gelebilir. Ayrıca metaller arası gevrek bir tabaka oluşarak zayıf bir bağlantı meydana gelebilir. Alüminyum ve çeliğin birleştirilmesinde bu olaya rastlanır. Soğuk kaynakta en iyi birleştirme esas olarak benzer iki metal arasında gerçekleşir. Kompozit parçaların birleştirilmesinde uygulanan hadde soğuk kaynağı Şekil7’de gösterilmiştir. Bir Amerikan çeyrek dolarının yapımı için 5.1 mm kalınlığında yarı mamul saf bir bakır üzerine % 75 Cu ve % 25 Ni’ den oluşan 1.2 mm kalınlığında bir alaşım
135 haddeleme suretiyle kaplanır. İyi bir bağ oluşturmak için yüzeyler kimyasal olarak temizlenir ve fırçalanır. Daha sonra birlikte haddelenerek toplam kalınlık yaklaşık 2.3 mm’ ye düşürülür. Kalınlıkta % 82’ ye varan bir azalma sağlamak için müteakip bir haddeleme ile 1.36 mm’ ye düşürülür. Böylece bu soğuk kaynakla kaplanmış malzemeden 25 Sent imal edilir.
3.3.2- Patlamalı Kaynak Patlamalı kaynak, büyük metal plakalara, korozyona iyi direnç gösteren ince plakaları kaplamak için kullanılır. Bu proseste basınç, tabaka şeklindeki bir patlayıcı vasıtasıyla uygulanır. Bunun için patlayıcı malzeme tabaka halinde, kaplanacak plaka üzerine yerleştirilir ve bir fünye ile patlatılır. Bu şekilde üretilen yüksek basıncın meydana getirdiği gerilme dalgası (binlerce MPa düzeyinde) plakaların ara yüzeyinde ilerler ve dalgalı bir plastik deformasyon oluşturur. Böylece yüzeylerin birbirine mekanik olarak kilitlenmesi sağlanır (Şekil 8). Yüzey filmleri ergiyerek veya parçalanarak ara yüzeyin dışına kaçar ve yüksek basınç, bağlantı için temiz yüzeyler oluşturur. Bu proseste soğuk basınç kaynağı da oluşur ve ara yüzeyde dalgalı bir şekle sahip soğuk kaynak bağlan sağlanır. Oluşan bağın mukavemeti yüksektir. Bu teknikle düz plakaların birleştirilmesi yanında kompozit paralardaki gibi kaplamalar da yapılır. Mesela boru uçları ve ısı eşanjörlerinin boruları uç kısımdaki plakalar içine bu yöntemle genişletilir. Bu proses kimya endüstrisinde kullanılan çeşitli ekipmanların imalatında da kullanılır.
136
Şekil 8- Patlamalı kaynak prosesinin şematik gösterilimi. a) - Sabit ara yüzey boşluklu, b) - Açılı ara yüzey boşluklu, c) - Patlamalı kaynatılmış birleştirmenin (A 516 çelik üzerine titanyum) kesiti, d) - Patlamalı kaynatılmış birleştirmenin (A 516 çeliği üzerine Incoloy 800, demir nikel esaslı alaşım) kesiti.
3. 3. 3- Ultrasonik Kaynak Ultrasonik kaynak bir katı faz prosesidir ve birleşme, iş parçaları basınç altında tutulurken bölgesel olarak uygulanan çok yüksek frekanslı titreşim enerjisi (10 000 - 200 000 Cps) ile meydana getirilir. Temel elamanları Şekil 9’da gösterilen ve bir transdusere bağlanmış titreşen bir uç ile ara yüzey kayma gerilmelerine maruz bırakılır. Normal kuvvet sadece semboliktir. Birleşme ara yüzeyi boyunca ortaya çıkan zıt gerilmeler ara yüzeyde bağıl bir harekete sebep olarak yüzeydeki oksit veya kirlilik tabakalarını parçalar. Böylece iyi bir temas sağlanır ve kuvvetli bir bağ elde edilir. Kullanılan ultrasonik transduserler diğer ultrasonik işlemlerde kullanılanlarla esas olarak aynıdır. Bu transduserler bir ucunda kaynak ucu bulunan kuvvete duyarlı bir sisteme bağlanır. Kaynatılacak parçalar bu uç ve yansıtma örsü arasına yerleştirilir ve titreşim enerjisi iş parçasına yoğunlaştırılır. Nokta kaynağı için sabit, dikiş kaynağı için ise dönen diskler kullanılır.
137 Ultrasonik kaynakta ara yüzeyin durumu karmaşıktır. Temas yüzeylerindeki sıcaklıkta biraz yükselme olmasına rağmen iş parçasının ergime noktasının oldukça altındadır. Ancak ara yüzey sıcaklığının metalürjik değişimlere sebep olacak yükseklikte olduğu durumlarla da karşılaşılabilir. Bu proses metal ve metal olmayan malzemelerin kaynağında geniş uygulama alanı bulmuştur. Alüminyum için maksimum kalınlık 2.5 mm ve daha sert metaller için 1 mm’dir. Fakat Tablo 1’de belirtildiği gibi özellikle farklı cins metaller bu proseste kolayca kaynak edilebilir. Meydana gelen sıcaklığın düşük olması, akımın olmaması veya intermetalik bileşikler oluşturan arkın uygulanmayışı nedeniyle çevrede kirlenme söz konusu değildir. Ekipman basit, güvenli ve orta kalifiye operatör gerektirir. Daha çok elektronik ve ambalaj sanayinde kullanılır. Tipik uygulamaları; bimetal farklı cins metalleri birleştirme, elektriki mikro devre yapma, reflaktör veya reaktif metallerin birleştirilmesi,aşırı ince metallerin birleştirilmesi ve patlayıcı veya kimyevi kapsüllerdir.
Şekil 9- Ultrasonik kaynakta kullanılan ekipmanın şematik diyagramı.
138 Tablo 1-Ultrasonik kaynakla kaynatılabilen metal kombinasyonları
3.3.4- Dövme Kaynağı Kaynak proseslerinin en eskisi olan ve MÖ 1000’li yıllara dayanan dövme kaynağı günümüzde çok az yapılmasına rağmen modern kaynak proseslerinin nasıl geliştirildiğinin anlaşılması için bu yöntemin tarihi gelişimi ve pratik kullanımını gözden geçirmek faydalı olacaktır. Bu yöntem, katı fazda, yüksek sıcaklık ve basıncın birlikte uygulanması ile gerçekleştirilen bir yöntemdir. Eski tarihlerde zırh yapımcıları iki çelik parçayı tek bir parça halinde birleştirmek ve sertleştirmek veya temperlemeyi istemişlerdir. Bu gruptan olan Black Smith bu kaynak yönteminin belki de hocasıdır. Çünkü o tarihlerde çekiç ve örsü ile metal parçalarına şekil vererek çeşitli mamuller yapmıştır. Black Smith ısı kaynağı olarak bir kömür ocağını kullandı. Birleştirilecek parçalan dövme sıcaklığına ısıttıktan sonra uçlarını aynı kalınlıkta birleştirebilecek şekilde çekiçleyerek kırdı. Uçlar uygun sıcaklığa gelene kadar tekrar ısıtıldı. Çekiçlendikten sonra toz halindeki boraks içine sokuldu. İş parçaları kaynak için uygun sıcaklığa gelene kadar ısıtılmaya kısa aralıklarla devam edildi. (Sıcaklık tahminleri malzemenin aldığı renklere göre yapıldı.) Böylece iki parçayı birleştirmeyi başardı.
139 Tarihi gelişimden de anlaşılacağı üzere bu yöntemde birleştirilecek parçalar yüksek bir sıcaklığa ısıtılır ve sonra uygun bir çekiç veya kalıpla dövülür . Birleştirme şekilleri Şekli 10’ da gösterilen bu proseste ara yüzeydeki oksit tabakaları veya diğer kirlilikler plastik deformasyon sonucu parçalanır. Kuvvetli bir bağ oluşmadığından bu işlem yerini diğer birleştirme işlemlerine bırakmıştır.
Şekil 10- Dövme kaynağı örnekleri. Bu kaynak birleştirme proseslerinin en eskilerinden biridir.
3.3. 4. 1 - Dövme Dikiş Kaynağı Black Smith tarafından yapıldığı gibi dövme kaynağı günümüzde çok nadir yapılmasına rağmen boru imalatında dövme dikiş kaynağı kullanılmaktadır. Şerit halinde ısıtılmış bir çelik, silindirik şekle sokulduktan sonra uçları merdaneler arasından veya konik kaynak hunisinden geçirilerek uygulanan basınçla kaynatılır. Böylece dikişli çelik borular üretilebilir.
3.3. 5. -Difüzyon Kaynağı 1970’lerde geliştirilen difüzyon kaynağı, hazırlanmış yüzeylerin uygun basınç ve sıcaklık altında uygun bir süre tutulmasıyla katı fazda meydana gelir. Meydana gelen birleştirme yüzeyin küçük deformasyonuyla sağlanır. Yani deformasyon esaslı birleştirme usullerinin aksine burada deformasyon sınırlıdır ve esas bağlama faktörü difüzyondur. Bu işlemde yeteri oranda difüzyonu gerçekleştirmek için metalin ergime derecesinin yansından fazla sıcaklıklar (0.5 Te
140 Difüzyon kaynağında önemli bir gelişme, sac metallerden yapılmış parçalara süper plastik şekillendirme ile birlikte uygulanabilmesidir. Difüzyonla birleştirme süper plastik şekillendirme ile kombine edilerek dizayn etkinliği ve verimlilik arttırılabilir. Bu teknoloji havacılık uygulamalarında sık kullanılan titanyum yapılar için çok iyi netice vermektedir. Özellikle Ti–6Al–4V ve alüminyum konstrüksiyonlar için (7475 - T6) bu teknoloji gelişme yolundadır.
3. 3. 6. - Sürtünme Kaynağı Dövme ve difüzyon kaynaklarında gerekli ısı dışardan sağlandığı halde 1940’larda geliştirilen sürtünme kaynağında birleşme, birleşecek metal parçalar arasındaki mekanik sürtünme vasıtasıyla sağlanır. Bazen atalet kaynağı olarak da isimlendirilen bu proseste birleştirilecek parçalardan biri sabit tutulurken diğeri yüksek bir hızla döndürülerek basınç altında temas sağlanır. Ara yüzeydeki basınç altında gerçekleştirilen sürtünme sonucunda kaynak için gerekli ısı sağlanarak işlem gerçekleştirilir. Prosesin safhaları Şekil 11’de gösterilmiştir. Isınmış bölge genellikle dar bir alanla sınırlıdır. Proseste iki temel yol izlenir. Birinde, sürtünme, temas yüzeylerini kaynak sıcaklığına ulaştırıncaya kadar, sabit parça yeterli bir basınçla bir motorla döndürülen hareketli parçaya bastırılır (Şekil 12). Kaynak sıcaklığına ulaşılır ulaşılmaz dönme durdurulur ve işlem tamamlanıncaya kadar basınç arttırılarak devam ettirilir. Bu bakımdan işlem dövme kaynağına benzer. İkinci proseste (ataletli sürtünme kaynağı), iş parçalarından biri dönen bir volana bağlanır (Şekil 13). Volan arzu edilen hıza ulaştığı zaman iki iş parçası birbirine bastırılarak volanın kinetik enerjisi sürtünme ısısına dönüştürülür. Bu metot yüksek tekrarlanabilme özelliğine sahiptir. Şekil 14, moment ve şişme arasındaki ilişkiyi göstermektedir.
141
Şekil 11 - Sürtünme kaynağının şematik prensibi. Birleşme için gerekli ısı iki parça arasındaki sürtünmeden elde edilir. Sürtünme kaynağında parçalardan sadece biri dönel simetriye sahip olmak zorundadır.
Şekil 12 - Ataletli sürtünme kaynağı için bir ekipman şematiği
Her iki yöntemde de kaynak için toplam zaman genellikle 25 saniyeden azdır. Halbuki ısıtma ve kaynak için gerçek zaman yaklaşık 2 saniyededir. Metal ergimez. Çok kısa ısıtmadan dolayı kaynakta ısı etkisi altındaki bölge çok dardır. (Bu süre ısının parçaya transferi için yetersiz kalır.) Isı ve basınç kombinasyonu nedeniyle ara yüzeyde ısınmış bölgenin plastik deformasyonu ile bir şişme meydana gelir . Bu şişme ile yüzey safsızlıkları radyal yönde ara yüzeyden fışkırır. Bu şişme bölgesi istendiği zaman işlemek suretiyle kolayca giderilir. Böylece ara yüzey safsızlıkları da giderilmiş olur. Kullanılan bütün gerçek enerji ısıya dönüştüğünden proses çok verimlidir ve birçok aynı cins metal ve farklı metallerin kaynağında kullanılabilir. Sıcak şekillendirme ile tane boyutu küçüldüğünden kaynağın mukavemeti ana metalle hemen hemen aynıdır.
142 Bazı literatürlerde prosesin aynı boyutlu boruyla ve yuvarlak çubukların veya çubuk ve boruların düz bir yüzeye kaynatılması için uygun olmadığı ifade edilmesine rağmen parçalardan birinin dönel simetriğe sahip olması birleştirme için yeterlidir. Yani daire kesitli bir çubuk düz bir yüzeye bu yöntemle kaynatılabilir. Ancak her iki parça da kaynak sırasında oluşan darbe gerilmesine dayanacak şekilde rijit olmalıdır. İş parçalarının uçları düzgün kesilmeli ve temizlenmelidir.
Şekil 13-Ataletli sürtünme kaynağındaki üç tork safhanın şematik gösterimi
Şekil 14- Sürtünme kaynağında, yüzey hızı, ve zaman arasındaki ilişki
Açıklamalı örnek Şekil 15’de gösterilen kare başlı cıvata, standard AISI 4140 çeliğinden işlenerek yapılmıştır. Kare baş 64 mm2 alana sahiptir. Maliyet sebebiyle bu imalat şekline alternatif olarak ataletli sürtünme kaynağı dikkate alınmıştır. Şekilde görüldüğü gibi civata gövdesi 32 mm çapında çubuktan işlenmiş ve kare başa uygun yuva açılmıştır. Böyle hazırlanan iki parça ataletli sürtünme kaynağıyla birleştirilmiş ve normalize tavına tabi tutulduktan sonra şişmeler işlemeyle giderilmiştir. Sürtünme kaynağıyla yapılan birleştirmenin incelenmesi sonucunda, oluşan bağın yeterli mukavemette olduğu ve maliyetin talaşlı işleme yöntemine göre yandan daha az olduğu tespit edilmiştir.
143
Şekil 15-Kare başlı bir cıvata başının sürtünme kaynağı ile ekonomik olarak kaynatılması
3. 4- Sıvı Fazda Kaynak İşlemleri Kaynak proseslerinin çoğu birleştirilecek iki parça arasındaki bölgenin eritilmesi esasına dayanır. Bunun için gerekli enerji elektriki, kimyasal veya optik yollarla sağlanır. Aynı zamanda ara yüzeydeki boşluğu doldurmak için bir doldurma malzemesi kullanmak gerekebilir. Lehimleme veya ergitme kaynağında doldurma için kullanılan ilave metaller işlem sırasında bölgeye ergitilerek verilir. Birleşecek parçaları yüksek bir sıcaklığa ısıtmak önemli metalürjik değişikliklere sebep olur. Uygulanan ısı miktarı ve birleşecek metallerin fiziksel özellikleri, birleşme bölgesindeki sıcaklık dağılımı ve seviyesinin kontrolü açısından önemli faktörlerdir. Uygulan ısı miktarı ve soğuk şekillendirme derecesi birleşme bölgesinde tane yapısını belirler. Birleşmenin tamamlanmasını takiben meydana gelen soğuma nedeniyle taneler yeniden kristalleşir. Kaynak bölgesinin sertliği bütün bu faktörlere bağlıdır. Yöntemin esasları, yapılan kaynağın özellikleri ve ekipmanları sırası geldikçe açıklanacaktır. 3. 4. 1 - Kimyasal Enerji Kullanan Kaynak İşlemleri 3. 4. 1. 1 - Gaz Kaynağı Oksi-yanıcı gaz kaynağı,uygun oranlarda karıştırılmış oksijen ve yanıcı bir gazın birlikle yakılması neticesinde oluşan bir alevin ısı kaynağı olarak kullanılması ile yapılan bir grup prosestir. Oksijen genellikle saf olarak kullanılırsa da nadiren havadan temin edilir. Yanıcı gaz olarak bu proseste hidrojen, propan ve doğal gaz kullanılabilirse de asetilen en yaygın kullanılan gazdır. Oksijenle asetilenin yakılması için 1900’lü yılların başında pratik bir torc (üfleç, şaloma) geliştirilmiş ve bazı tamir işlerinde kullanılmıştır. Asetilen yanma sonucu diğer yanıcı gazlara göre en yüksek ısıyı verdiği için halen yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu teknik, birleşecek parçaların ilgili kısımlarını birlikte ergitilerek döküme benzer tarzda katılaştırma esasına dayanır. Burada kalıp vazifesini kaynak belgesini sınırlayan esas metal görür. Şekil 16’da gösterilen kaynak torcu vasıtasıyla oksijen(O2) ve asetilenin (C2H2) yakılması sonucu, iki safhalı reaksiyonla, yaklaşık 3482 °C’ ilk bir sıcaklık elde edilir. İlk aşamada oksijen ve asetilenin meydana getirdiği alev çekirdeği aşağıdaki reaksiyonla oluşur:
144
Bu reaksiyon bahsedildiği gibi alev torcunun hemen ucunda meydana gelir. Reaksiyonun ikinci aşaması iki reaksiyonludur ve burada oksijen karbonla reaksiyona girince CO, ve hidrojenle reaksiyona girince de H2O oluşur. Bu reaksiyon ilk yanma bölgesinin hemen ötesinde meydana gelir.
Bu ikinci reaksiyon için gerekli oksijen havadan sağlanır ve iki bölgeli bir alev üretir. İlk aşama sonucu oluşan alev çekirdeğinin ucunda maksimum sıcaklık meydana gelir. Çoğu kaynak prosesi alevin bu maksimum sıcaklık noktasını birleşme bölgesinin hemen üzerinde tutulmasıyla yapılır. Alevin ön bölgesi metalin ön ısıtılmasını sağlar ve çevrenin oksitlenme etkisine mani olur. Çünkü ikinci yanma için çevrenin oksijeni harcanır. Karışım gazının hazırlanması gaz kaynağında önemli bir faktördür. Şekil 17’de gösterildiği gibi oksijen - asetilen oranının eşit olması veya oksijenin çok az fazla olması durumunda (1/1 ile 1.15 /1) bütün reaksiyonlarla birlikte tabii (nötr) bir alev oluşur. Çoğu metallerin kaynağı nötr alevle yapılır. Çünkü bu alev metaller üzerinde minimum kimyasal etkiye sahiptir. Fakat daha fazla oranda oksijen ihtiva eden gaz karışımı oksitleyici alevi meydana getirir. Nötr alevle görünümleri oldukça benzerdir ve çelikleri oksitlediği için zararlıdır. Ancak çeliklerin dekarbürize edilmesinde (çelikteki karbonun oksijenle reaksiyona girmesi ile) kullanılır. Ergimiş metal üzerinde koruyucu ince bir curüf tabakası oluşturduğundan kaynak alevi olarak sadece bakır ve bakır esaslı alaşımların kaynağında kullanılır. Oksijen miktarı azaldığı zaman “Redükleyici veya Karbürleyici alev” meydana gelir. Aşırı yanıcı gaz karbon ve oksijeni ayırır ve alev sıcaklığı düşer. Yanıcı gazın çok az fazla olması durumunda alevlenme azalır ve karbürizasyon meydana gelmez ancak metal oksidasyondan çok iyi korunur. Bu tip alev, monel metal (bakır-nikel alaşımı), pirinç kaynağı (sert lehim) düşük karbonlu çelikler, bazı alaşımlı çelikler veya yumuşak lehimleme gibi düşük ısı gerektiren uygulamalar ve bazı genel sert yüzey kaplama işlerinde kullanılır. Benzer alevler hidrojen, metan veya propan gibi diğer yanıcı gazlarla da elde edilir.
145
Şekil 16 - Düzenli bir yanma için gazların karıştığı karışma odasını gösteren ve oksi - asetilen kaynağında kullanılan bir torcun (üfleç, şaloma) kesiti. İlk önce asetilen valfi açılarak gaz bir kibrit veya çakmakla tutuşturulur. Sonra oksijen valfi açılır ve alev ayarlanır. Uçlar genellikle bakır alaşımlarından yapılır.
Şekil 17- Oksi - Asetilen alevinin üç tipi.
Kaynakta kullanılan asetilen gazı genellikle taşınabilir şekilde tüplere doldurulur. Çelik tüpler içinde 8.5 m3 hacminde ve 1.72 MPa basınçta tutulur. Asetilen 0.1 MPa’dan fazla bir basınçta depolandığı zaman güvenli olmadığından genellikle aseton içinde çözündürülür. Çelik tüpler, silisli cevher ve ahşap talaşı gibi gözenekli maddeler ile doldurularak asetonun bu maddeler tarafından emilmesi sağlanır ve böylece çözünmüş asetilene ihtiyaç duyulduğu zaman asetilen jeneratörlerinden yararlanılır. Bu jeneratörler asetilen üretmek için kalsiyum karbitin (CaCO3)
146 su ile temas şekline göre çeşitli prensipte çalışırlar. kalsiyum karbit taneleri, ya su içine düşürülür, ya bu taneler üzerine su damlatılır veya bir sepet içinde su haznesine daldırılır. Stabilize edilmiş Metil Asetilen ProPadin (MAPP gazı olarak bilinir) hacim başına daha fazla taşınabilir enerji gerektiren durumlarda asetilene rakip olan bir gazdır ve alışılagelmiş basınçlı tanklarda güvenli olarak depolanabilir. Kaynak prosesi için gerekli oksijen hemen hemen her zaman basınçlı tanklardan sağlanır. Taşınma kolaylığı açısından asetilen gibi çelik tüplerde depolanarak kullanılır. Gerek asetilen ve gerekse oksijen tüplerinin üzerinde gazın cinsi, tüpün dolu ve boş ağırlıkları, imalatçı firma adı, deneme basıncı bulunmalıdır ve gaz cinsine uygun (genellikle oksijen için mavi asetilen için kırmızı) renkler de boyanmalıdır. Oksi-asetilen kaynağında kullanılan basınç 6.9-103.4 kPa arasında değişir. Arzu edilen çalışma basıncını devamlı temin etmek için (tüp basıncını kullanma basıncına düşürmek için) basınç regülatörleri kullanılır. Bu regülatörler üzerinde bulunan manometrelerden tüpe yakın olan tüp basıncını, diğeri de kullanım basıncını gösterir. Asetilen ve oksijen veya hava karışımı yüksek patlayıcılığa sahiptir. Bu bakımdan, bu gazların kaza veya herhangi bir yanlışlık sonucu karışmasından sakınmak gerekmektedir. Bütün asetilen armatürleri sol vida halbuki oksijen için olanlar sağ vida şeklindedirler. Böylece yanlış bir irtibat önlenir. Bu çerçevede alevin geri tepmesini ve dolayısıyla bir kazanın önlenmesi için sulu veya kuru güvenlik ekipmanları, özellikle jenaratörler kullanıldığı zaman, gereklidir. Torcun uç büyüklüğü (orifis çapı), iç koninin (çekirdek alev) şeklini ve gazların akış oranını etkilediğinden kaynatılacak malzemenin boyutlarına göre değiştirilebilir durumdadır. Bunun için değişik çapta orifis ihtiva eden torc uçları kullanılır. Büyük torclar fazla miktarda gaz akışına müsaade ettiği ve düşük gaz hızı sağladığından fazla miktarda ısı girişi ile kaynak banyosundan ergimiş metali üfler. Yüksek gaz basıncıyla çalışan bu torclar kalın malzemelerin kaynağı için kullanılırlar.
3.4.1. 1. 1 - Kullanımı, Avantaj ve Dezavantajları Hemen hemen bütün oksi-yanıcı gaz kaynakları ergitme esasına dayanır. Birleştirilecek malzemeler kaynak bağı oluşacak şekilde birlikte ergitilir ve basınç uygulanmaz. Parçalar arasında küçük bir aralık mevcut olduğundan alev veya ergimiş metal içine ergiyen çubuk veya tel şeklindeki doldurma metali genellikle ilave edilir. Standart boyutlardaki doldurma malzemesi (kaynak çubuğu) 1.6 - 9.5 mm çapında ve 0.6 - 0.9 m boyundadır. Esas metalle uygun bileşim ve minimum çekme mukavemeti sağlamak için standart bileşimdedir. Çeliklerin kaynağında düşük karbonlu veya düşük alaşımlı çelik çubuklar kullanılır. Bu
147 ergiyen çubuklar çıplak olabildikleri gibi bir tozla kaplı durumda da olabilirler. Örtünün amacı kaynak bölgesinde koruyucu bir gaz meydana getirerek iş parçası yüzeyinin oksitlenmesini önlemektir. Aynı zamanda çözünmeye yardım ederek, oksit ve diğer kirlilikleri bir cüruf halinde toplar. Aynı amaçla kaynak bölgesine toz ilave edilir veya çubuk toz pasta içine daldırılır. Eğer uygun teknik kullanılır ve yeterli dikkat gösterilirse bu yöntemle iyi kaliteli kaynak elde edilebilir. Sıcaklık kontrolü kolaydır fakat ergimiş ve ısınmış metalin alev ve atmosferdeki çeşitli gazlara maruz kalması (etkili bir koruma olmaksızın) kirlenmeyi önlemeyi güçleştirir. Ayrıca ısı bir noktada toplanamadığından metalde bazı bölgeler aşırı ısınarak distorsiyona (çarpılmaya) sebep olur. Gaz kaynağı esas olarak bir el prosesidir. Nispeten yavaştır ve tecrübeli bir operatör gerektirir. Az sayıdaki işler için ekonomik ve verimlidir. Ekipmanları, gaz tüplerine hortumlarla bağlanmış kaynak torcu (üfleç), basınç ölçerler ve düzenleyiciler, gözlük ve eldiven gibi güvenlik ekipmanlarından oluşur. Proses daha çok demir ve demir dışı metaller için kullanılır ancak günümüzde korumalı ark ve gaz altı ark kaynakları alevle kaynak prosesinin yerini büyük oranda almıştır. 3. 4. 1. 1. 2.Gaz Ergitme Kaynağında İşlem Karakteristikleri A- Şaluma Üfleç Gücü: Üflecin gücü, saatte litre cinsinden yanıcı gaz sarfiyatı olarak tarif edilir. Bu güç, a) Metalin termik özellikleri sebebi ile cinsine, b) Uygulanan kaynak usülüne, c) Kaynak yağılacak parça kalınlığına bağlı olarak malzeme cinslerine göre aşağıdaki değişimlerde olmaktadır. Çeliklerde P= A . S (Litre/saat)
(1)
A: Sabit (Tek taraflı kaynakta : 60) (Çift taraflı kaynakta :100) S: Parça kalınlığı (mm) Bakır ve Alüminyumda, P=A . S2+ B . S (litre/saat)
(2) A
B
Bakır da
30
40
Alüminyum da
12
40
148 Formüllerden de anlaşıldığı gibi gaz sarfiyatı, bakır ve alüminyumda ısıl iletkenliğinin fazlalığı nedeni ile ikinci dereceden artmaktadır. B- Kaynak Hızı: Kaynak hızı, kaynak yapılacak sac kalınlığı ile üfleç gücünün fonksiyonudur. Deneysel olarak yapılan incelemelerde, belirli bir kaynak usulü için, (mm) cinsinden sac kalınlığı ile saatte ilerleme hızının çarpımının bir sabite eşit olduğu tespit edilmiştir. Böylece, S.V= K
(3)
V=K/S (m/saat) olmaktadır. Sola kaynak usulünde, S<2
mm için
K= 7.5
2< S < 12 mm için
K=12.0
S > 12
K=10.0
mm için
Sağa kaynak usulünde, 5 < S < 15 için K=15.0 C- Bir metre kaynak dikişi için gerekli zaman: V hızı ile bir metre kaynak dikişi yapmak için gerekli zaman (t) ise, V. t = 1 metre V = K / S olduğundan t = S / K (saat) t = 60.S / K (dakika) D- Gaz ve oksijen sarfiyatları: P= A . S (litre/saat) ve t = S / K (saat) olduğuna göre, Ya= P.t =A.S.S/K (litre asetilen) Ya= P.t = A.S2/K (litre asetilen)
(4)
Burada da gaz sarfiyatının, sacın kalınlığının parabolik bir fonksiyonu olduğu görülmektedir. Oksijen sarfiyatı alevin cinsine göre değişmekte ise de,
149 Genellikle, Yo2 = 1,2. Ya bağıntısından istifade etmek mümkündür. Yo2 = 1,2. A. S2 / K (litre oksijen)
(5)
Ya : Kaynak işleminde harcanan asetilen (litre) Yo2 : Kaynak işleminde harcanan oksijen (litre) A,K: Parça kalınlığı ve usüle bağlı yukarıda verilmiş sabitler S: Parça kalınlığı (mm) E- Bir metre kaynak dikişi için gereken kaynak çubuğu sarfiyatı: Yapılan araştırmalarda, 1 metre kaynak dikişi için kullanılan kaynak çubuğunun ağırlığı, gene sac kalınlığının karesi ile bir sabitin çarpımına eşit olduğu görülmüştür.
S e
D = C. S2 (g / 1 m dikiş)
(6)
S ≤ 5 mm için C = 10
Kalınlığı 4-5 mm’yi geçmeyen sacların düz S e
kaynağında ise, C = 12 ve D = C. e2 (g / 1m dikiş) şeklini almaktadır.
3. 4. 1. 1. 3 - Basınçlı Gaz Kaynağı Basınçlı gaz kaynağı, vagon dingilleri ve borular gibi ekipmanların alın kaynağını yapmak için kullanılan bir yöntemdir. Birleştirilecek uçlar bir gaz aleviyle ergime noktası altındaki bir sıcaklığa ısıtılır ve sonra bir basınç altında birlikte bastırılır. Anlaşılacağı üzere ergime olmadığı için proses bir katı faz kaynağıdır. 3.4.1.2- Termit Kaynağı Termit kaynağı çoğu uygulamalar için yerini alternatif metotlara bırakmış eski bir prosestir. Termit kaynağı ismini metal oksitleri ve redükleyiciler arasındaki ekzotermik reaksiyonları sağlayan “Termit”ten alır. Bu kimyasal reaksiyon sonucu oluşan ısı kaynak için kullanılır. Isıtma ve ergitme bir metal oksidi ve alüminyum arasında oluşan reaksiyonla aşırı ısınmış ve ergimiş metal ve cüruf tarafından sağlanır. Sistem ısısına ilave olarak ergimiş metal gerekli dolgu metalini de sağlar.
150 Termit prosesi için en genel karışım yaklaşık bir ölçü ince öğütülmüş toz halindeki alüminyum ve üç ölçü demir oksit (Fe3O4) tozunun mekanik karışımıdır. Bu karışım en çok kullanılan termit karışımıdır. Kaynağa bazı özellikler kazandırmak için, bu karışım diğer elementleri de ihtiva edebilir. Reaksiyon aşağıdaki kimyasal eşitliğe göre oluşur.
Bu reaksiyonla yaklaşık 30 saniyede 2760 °C civarında bir sıcaklık meydana gelir. Patlayıcı olmayan bu karışım teorik olarak bir dakikalık bir süre içinde 3090 °C maksimum bir sıcaklık meydana getirir. Diğer demir oksitleri ile Cu , Ni, Cr ve Mn oksitleri de kullanılabilir. Bu durumda sıcaklık 5000 oC’ye çıkabilir. Reaksiyona oksitleyici olarak bilinen özel bir bileşik ile başlanmalıdır. Magnezyum eriyiği yaklaşık 1150 oC’lik bir ateşleme sıcaklığı sağlar. Kaynatılacak parçalar aralarında bir boşluk kalacak şekilde hazırlanmalıdır. Boşluğu doldurmak için balmumu kullanılır ve arzu edilen kaynak formunda yığılır. Çıkıcı ve yolluk sistemleri investment döküm yöntemi prosedürüne benzer. İş parçasının etrafına bir kutu yerleştirilerek kalıp kumu veya refraktör malzeme ile dövülüp sıkıştırılır. Kalıp tamamlandığı zaman bir ısıtma torku ile kurutulur ve balmumu eritilir. Isıtmaya iş parçalarının yüzeyleri kızarıncaya kadar devam edilir. Termit karışımıyla doldurulmuş bir veya daha fazla pota kalıbın üst tarafına konur ve tabanındaki delik kalıptaki yolluk sistemiyle irtibatlandırılır. Pota içindeki karışım ateşlenir, ergimiş metal potanın tabanından akar, kalıbı doldurur ve aynı zamanda iş parçasının kenarlarını ergitecek yükseklikte bir sıcaklık meydana gelir. Bütün bu ergime ürünleri boşluğa dolar. Kaynak soğuduktan sonra kalıp bozularak fazlalık malzemeler işleme, taşlama veya diğer kesme metotları ile giderilir. Böylece bölgeye, ana parçalara uygun şekil verilir. Bu usül, özellikle, büyük dövme ve döküm parçaların tamiri için kullanılır. Demiryolu ve çatlamış veya kırılmış çelik dökümlerin tamirinde, büyük kanalizasyon borularının birleştirilmesinde çok kullanışlıdır.
3.4.2- Elektrik Enerjisi Kullanan Kaynak Prosesleri Ark ve direnç kaynağı gibi bazı kaynak işlemlerinde elektrik enerjisi ısıya dönüştürülür. Bu ısı ark kaynağında, ergiyen veya ergimeyen bir elektrotla iş parçası arasında meydana getirilen arktan sağlanır. Bu ark özellikle plazma ark kaynağında kullanılan gazın cinsine göre 5000-50000°C arasında yüksek sıcaklıklar meydana getirir. Sıcaklık çeşitli elektriki cihazlarla kontrol edilebilir. Ark aynı zamanda toplam enerjinin % 20’si kadar radyasyon da üretir.
151 Direnç kaynağı, iki elektrot arasında birleştirilecek parçaların elektriksel temas direnciyle üretilen ısı ve basıncın bir kombinasyonu ile gerçekleştirilir. Bu prosesler aşağıda açıklanmıştır. 3. 4. 2. 1- Ark Kaynağı Ergitme kaynağı için, ısı kaynağı olmak üzere 1880’lerin başında, Şekil 18’de gösterilen temel devreyi kullanarak bir karbon elektrotla metal iş parçası arasında bir ark oluşturma teşebbüsünde bulunulmuştur. Gaz kaynağında olduğu gibi metal bir tel şeklinde doldurma metali ilave edilmiş, daha sonra metal tel çıplak elektrot olarak kullanılmıştır. Bu çubuk hem ark oluşturup ve hem de ergiyerek dolgu malzemesi görevini de görmüştür. Fakat netice çok belirsizdi. Arkın stabil olmaması nedeniyle devam ettirmek büyük ustalık gerektirmiş ve yüksek sıcaklıkta bölgenin atmosfer şartlarından etkilenmesiyle kaynak metali kirlenerek oksitlenmiştir. Öte yandan metalürjik etkiler ya çok az anlaşılmış veya hiç anlaşılamamıştır. Netice olarak prosesin büyük potansiyeli olmasına rağmen 1. Dünya Savaşı’ndan sonraya kadar çok az kullanılmıştır. Ark kaynağının geliştirilme trendi aşağıdaki şekilde olmuştur.
Şekil 18- Ark kaynağı için temel elektrik devresi
Elektrik ark kaynağı bugünkü gelişimine ulaşana kadar birçok merhaleler geçirmiş, bu arada bulunan usüllerin bazıları ancak araştırma safhasında kalmış, fakat büyük bir çoğunluğu pratikte geniş bir kullanım alanına sahip olmuştur. I-Benardos Usülü: Bu usülde ark, karbon bir elektrotla birleştirilecek parça arasında meydana getirilmektedir. Bu usülde, ilave bir kaynak malzemeli ve ilave malzemesiz olarak kaynak yapılmasının prensip şemaları aşağıda, Şekil 19 a ve b’de gösterilmiştir.
152
( -) Grafit elektrot
J
Kaynak çubuğu
Grafit elektrot
(+)
(a)
(b)
Şekil 19-Benardos usulü ile kaynak. a) İlave kaynak metalli b) İnce sacların kaynağında ilave kaynak metalsiz
II- Zerener Usulü: Bu usülde ark, belli bir açı ile tanzim edilmiş iki karbon elektrot arasında teşkil edilmektedir. Ayrıca iki elektrot arasında bulunan mağnetik bir bobin, elektrot arasında oluşan arkın parçaya doğru üflenmesini sağlamaktadır(Şekil 20). Bu usülde de dolguyu sağlayacak bir kaynak çubuğu gerekmektedir. 320-120 Amper akım şiddetinde ve 15-30 Volt gerilim sınırlarında çalışılabilen bu sistem bir laboratuar çalışmasından ileriye gidememiştir.
Şekil 20-Zerener Usulünün şematik görünümü
III- Slavianeif Usulü: Bugünkü ark kaynağının esasını teşkil eden Slavianeif usülünde ark, çıplak metalik bir elektrotla birleştirilecek parça arsında meydana getirilmektedir. (ergiyen elektrotla kaynak) daha önceki usülde çalışma prensibi, Şekil 21’de verilmiştir.
153
Şekil 21-Slavianeif usulünün şematik görünümü
IV-Kaell Usülü Ergiyen elektrot esasına göre çalışan bu usülde ark, aynı örtü içine yerleştirilmiş iki metalik elektrot arasında oluşmakta, bu arada metalik elektrotlarda ergiyerek kaynak ağzını doldurmaktadır(Şekil 22). Usulün, özel elektrot gerektirmesi yanında en önemli avantajı, kaynak hızının yüksek oluşudur.
Şekil 22-Kaell usülü kaynak işleminin prensibi
1920’lerde düzenli bir ark, atmosferden korunma ve iyi akıcılık sağlayan örtülü metal elektrotlarla geliştirilmiştir. Prosesin kullanımı çok hızlı gelişmiştir ve günümüzde çok çeşitli ark kaynağı yöntemi kullanılmaktadır. Bütün ark kaynak yöntemleri Şekil 18’de gösterilen aynı temel devreyi meydana getirirler ve doğru akım kadar alternatif akım da kullanırlar. Doğru akım kullanıldığında eğer iş parçası pozitif (devrenin anodu) ve elektrot negatif kutba bağlanırsa
154 “Düz kutuplama” yapılmış olacaktır. İş parçası negatif ve elektrot pozitif kutupta olduğu zaman “Ters kutuplama” adını alır. Çıplak elektrotlar kullanıldığı zaman anotta büyük ısı açığa çıkar. Bazı örtülü elektrotlar ısıl şartları değiştirir ve ters kutuplama suretiyle kullanılır. Bütün ark kaynakları metal elektrotlarla yapılırlar. Ergiyen elektrotlar, birleşme bölgesindeki aralığı ergiyerek doldurur ve ilave bir malzemeye gerek kalmaz. Böylece kaynak hızı yükselir. Bu durumda elektrot ark sıcaklığının altında bir ergime derecesine sahiptir. Elektrotun ucundan küçük damlalar halinde metal ergir ve esas metale geçer. Bu damlaların boyutu (büyüklüğü) ve transfer mekanizması elektrot ve prosesin tipine göre değişir. Şekil 23, küresel, spray (duş) ve kısa devre halindeki damla geçişlerini (metal transferini) gösterir. Elektrot ergidiği için ark boyu ve arkın direnci değişir. Bu durumda arkın devamlılığının ve düzenli kaynak şartlarını sağlamak için elektrotun aşağı veya yukarı hareket ettirilmesi gerekir.
Şekil 23- Ark kaynağı sırasında metal transfer şekilleri
Günümüzde alışılagelmiş ark kaynağı çıplak elektrotlarla yapılamaz ve daima örtülü elektrotlar kullanılır. Otomatik ve yarı otomatik ark kaynağında elektrot devamlı akan çıplak bir metal teldir. Bu durumda kaynak bölgesi koruyucu ve arkı stabilize eden bir ortam ile örtülüdür. Otomatik besleme ve kontrol ünitesi ark boyunun sabit kalmasını sağlar. Ark kaynağının diğer bir çeşidinde elektrot ergimeyen tungstenden yapılmıştır. Burada ihtiyaç duyulan ilave metali karşılamak için ayrıca bir doldurma teli de kullanılır. Özet olarak farklı kaynak işlemleri, kaynak voltajı, kaynak akımı, ark kutbu (Doğru, ters kutuplama veya alternatif akım), ark uzunluğu, kaynak hızı (elektrotun iş parçasına göre hareket hızı), ark atmosferi, elektrot veya doldurma malzemesi ve kaynak tozu gibi faktörlerin şartlara göre seçilmesini gerektirir. Doldurma metali esas metalle uygun özelliklerde (özellik ve /veya alaşım ihtivasına uygun) seçilir.
155 3. 4. 2. 1. 1 - Örtülü Elektrotla Ark Kaynağı Bu yöntem en eski, en basit ve en verimli bir kaynak yöntemidir. Endüstride kullanılan bütün kaynak proseslerinin % 50’sini bu proses oluşturur. Ark, Örtülü bir elektrotun ucunu iş parçasına dokundurularak meydana getirilir. Kullanılan elektrotlar genellikle 230 - 460 mm boyunda, 1.6 - 9.5 mm çapında, aşağıdaki özelliklerin hepsini veya bir kısmını sağlayan, istenen özellikleri gerçekleştirecek kimyasal bileşikleri ihtiva eden bir örtüyle kaplanmış metal tel şeklindedir. Elektrot örtüsünün görevleri şöyle sıralanabilir: 1 - Arkı stabilize etmek (devamlılığını sağlamak) 2 - Bölgeyi havanın etkisinden korumak için koruyucu bir atmosfer sağlamak üzere gaz üretmek 3 - Ergimiş metali alaşımlandırmak için alaşım elemanı ilave etmek 4- Oksitler, nitrürler ve diğer safsızlıkları toplamak, oksidasyonu önlemek ve kaynak metalinin yavaş soğumasını sağlamak için koruyucu bir cüruf oluşturmak 5 -Ergimiş metalden safsızlıkları gidermek için bir temizleyici gibi davranmak 6- Kaynak - metal sıçramasını azaltmak ve ergimiş metal miktarını arttırmak 7 -Ark nufuziyetini etkileyerek arzu edilen derinlikte dikiş sağlamak 8 -Kaynak dikişinin şeklini etkileyerek istenen şeklin oluşmasına yardımcı olmak 9 -İlave doldurma metali sağlamak Örtülü elektrotlar biriktirilen kaynak metalinin çekme mukavemetine, elektrotla kullanılacak kaynak pozisyonuna, akım ve kutup durumuna, eğer doğru akım kullanılıyorsa, ve örtü tipine göre sınıflandırılır. Tablo 2’de gösterildiği gibi dört veya beş haneli rakamdan ve harften oluşan bir sembol grubu kullanılır. Bir örnek olarak E 7016 tipi, gerilmesi giderilmemiş şartlarda 482.43 N/mm2’lik minimum çekme mukavemetine sahip bir metal birikintisi sağlayacak, az alaşımlı çelik bir elektrodu gösterir. Bu elektrot bütün kaynak pozisyonlarında ya alternatif akımla veya ters kutuplama ile doğru akımla kullanılabilir ve düşük hidrojen ihtiva eden bir örtüye sahiptir. Genelde selülozik örtüler yaklaşık % 50 SiO2 , % 15 TiO2, az miktarda FeO, MgO, Na2O ve yaklaşık % 30 uçucu madde ihtiva ederler. Titan örtüler yaklaşık % 30 SiO2 , % 50 TiO2, az miktarda FeO,MgO, Na2O, Al2O3 ve yaklaşık % 5 uçucu maddeye sahiptirler. Düşük hidrojenli örtüler, birikmiş kaynak metalinde çözünmüş hidrojeni gidermek ve böylece mikro çatlakları önlemek için çeşitli bileşimde oluşturulurlar. Etkilerini artırmak amacıyla örtüden
156 bütün nemin giderildiğinden emin olmak için kullanılmadan hemen önce fırınlanmaları gerekir. Bütün elektrotlar çeşitli ülkelerde kendi standartlarına göre, mesela Amerika’da “National Electrical Manufacturers Association” tarafından oluşturulan bir standarda göre, çeşitli renklerle işaretlenir ve böylece seçimleri kolaylaştırılır. Elektrotun seçilmesinde elektrot örtü cinsi ve kalınlığı, elektrot bileşimi ve çapı gibi faktörler etkendir. Elektrot örtüsü ergidiği ve buharlaştığı için arkı stabilize eden, ergimiş ve sıcak metali kirlilikten koruyan koruyucu bir atmosfer oluşturur.
Tablo 2. Elektrot standardına bir örnek(Amerikan)
En fazla kullanılan Standardlar, a) Milletlerarası elektrot standardı (ISO/TC - 44/SC3 b) Alman elektrot standardı (DIN 1913-1960) c) Amerikan elektrot standardı (AWS A5.1 55T/ASTM A 003-55T) d) İngiliz elektrot standardı (BS 719 : 1963)
157 Bu standardlardan ISO standardına göre bir elektrotun ne şekilde sembolize edildiği aşağıdaki örnekten istifade edilmek sureti ile açıklanmıştır. E 425 Tm 12’nin açıklaması: E: Ark kaynağında kullanılan ve ekstrüzyon yolu ile imal edilmiş bir elektrot olduğunu göstermektedir. 425: Bu grubun aşağıdaki tabloda görüldüğü gibi birinci rakamı kaynak yerinin asgari çekme dayanımını;
ikinci
rakamı
uzamasını
ve üçüncü rakamı
ise, çentik dayanımını
göstermektedir(Tablo 3). Tablo 3- Kaynak yerinin mekanik özelliklerine karşılık gelen sembolik rakamlar
İşaret Çekme dayanımı Uzama Çentik darbe dayanımı kp/mm2
%
kp.m/cm2
0
-
-
-
1
41
14
5
2
44
18
7
3
48
22
9
4
52
26
11
5
56
30
13
6
60
-
-
T: Örtünün cinsini, m: örtü kalınlığını sembolize eder. Bu harflerden sonra gelen iki rakam, yani (12) ye gelince; iki rakamdan ibaret olan bu grubun birinci sayısı kaynak pozisyonlarını (Tablo 4); ikinci sayısı ise akım şekli, kutup bağlantısı ve dalgalı akımda boşta çalışma gerilimini ifade eder(Tablo 5). Tablo 4- Uygun kaynak pozisyonlarının rakamlarla sembolize edilmesi
İşaret Uygun kaynak pozisyonu 1
Bütün kaynak pozisyonlarında uygulanabilir
2
İnişe kaynak dışında bütün pozisyonlar
3
Yatay oluk ve bunların iç köşe kaynakları için
4
Yatay, oluk ve alın pozisyonları için
Akım şekli, kutup durumu ve transformatörün asgari boşta çalışma gerilimleri aşağıdaki tabloda çıkarılmıştır.
158 Tablo 5. Kaynak transformatörünün boşta çalışma gerilimleri ve kutuplama şekilleri
Kutup durumu
*50 V *70V *90V Yalnız doğru akım
Elektrot her iki kutba bağlanabilir 1
4
7
0
Elektrot negatif kutba bağlanır
2
5
8
0_
Elektrot pozitif kutba bağlanır
3
6
9
0±
*: Doğru ve alternatif akımda kaynak transformatörünün boşta çalışma gerilimi
Bu durumda verilmiş örnek aşağıdaki bilgileri ifade etmektedir. E 425 Tm 12 I – (4) Kaynak dikişi dayanımı : 52 [kp/mm2] II – (2) Kaynak dikişi kopma uzaması : 18 [%] III – (5) Kaynak dikişi çentik darbe dayanımı : 13 [kp.m/cm2] IV – (T) Titandioksit esaslı örtü (Rutil tipi) V – (m) Orta kalınlıkta örtü VI (1) Bütün kaynak pozisyonları uygulanabilir VII (2) Doğru ve alternatif akımda çalışılabilir Boşta çalışma gerilimi 50 Volt Doğru akımda elektrot negatif kutba bağlanacak Ergimiş elemanlar ergimiş metaldeki safsızlıklarla birleşerek onları kaynak dikişi üzerinde oluşan cürufta tutup yüzeyde birikmelerini sağlarlar. Bu cüruf örtüsü katılaşan metalin oksitlenmesini önler ve sertleşmeyi önleyecek şekilde soğuma hızını yavaşlatır. Cüruf soğuduğu zaman dikişten kolayca kaldırılır. Çok pasolu kaynak dikişlerinde iyi bir kaynak dikişi meydana getirmek için her bir pasodan sonra cüruf tabakası kaldırılmalıdır. Şekil 24, bir örtülü elektrottan biriktirilen metali göstermektedir. Örtülerinde demir tozu ihtiva eden elektrotlar belli bir elektrot boyutu ve akım ile biriktirilebilen metal miktarını önemli oranda artırdığı için imalat alanında yaygın olarak kullanılır. Doldurma telinden daha yavaş ergiyen örtüye sahip diğer elektrotlarda merkezdeki tel düzenli ark boyu ile oyulacaktır. Örtülü elektrotlarla yapılan ark kaynağında elektrik akımı elektrot tipi ve kesitine bağlıdır. Akım doğru veya alternatif olabilir. Elektrot pozitif (ters kutuplama) veya negatif (düz kutuplama) kutba bağlanabilir. Seçim, elektrot tipi, kaynatılacak malzeme, ark atmosferi ve ısıtılan bölgenin kesiti gibi faktörlere bağlıdır.
159
Şekil 24- Örtülü elektrotla ark kaynağı işlemi. İşlem sırasında oluşan koruyucu gazın amacı, kaynak bölgesini havanın oksijeninden korumaktır.
Karbonlu, alaşımlı ve paslanmaz çelikler ile dökme demirler genellikle bu prosesle kaynatılır. İnce sacların değişik şekillerde kaynatılması durumunda derin nufuziyet elde etmek için ters kutupla doğru akım kullanılır. Metal transferi ya küre şeklinde veya kısa devre halindedir. Bu durumda ark sıcaklığı 5000°C’nin altındadır. Tipik kaynak voltajı 15-45 V ve kaynak akımı 10- 500 A arasındadır. Elektrot metaline elektrik vermek için örtülü elektrotlar belli uzunlukta çıplak bir sapa sahiptir. Elektrotun aşırı ısınması örtüyü tahrip eder. Bu proses sadece güç kaynağı ve kabloları, elektrot pensesi gibi basit ekipmanlar gerektirdiğinden avantajlara sahiptir. Genellikle atölye ve tamirhanelerde basit kaynak operasyonları için kullanılması yanında konstrüktif parçalar, gemi inşası, boru hatları ve ekipman kolay monte edildiğinden özellikle dar yerlerde kullanılır. 3 - 20 mm kalınlığındaki parçalar için en uygun olmasına rağmen bu aralık özel teknikler kullanılarak genişletilebilir. Elektrik ark kaynağında, çekiçleme, fırçalama ve elektrot değiştirme gibi yardımcı zamanlar dolayısı ile problem oldukça karışıklık arz etmekte ve 1 cm3 metal çökertmek için gerekli zaman hesabı, ancak aşağıdaki sürelerin bilinmesi ile mümkün olmaktadır. 1) Arkın teşekkül süresi 2) Ergime süresi 3) Çekiçleme ve fırçalama süresi 4) Elektrot değiştirme süresi Yapılan deneysel araştırmalar sonucu, 1 cm3 metal çökertmek için kullanılan elektrot çapı (mm) ile, geçen süre arasında (saniye) aşağıdaki bağıntı tespit edilmiştir. d1.5 . t = 350
(7)
160 Aşağıdaki tabloda, deneysel ve teorik hesaplanmış sürelerin karşılaştırılması verilmiştir. Tablo 6- Metal çökertmek için kullanılan elektrot çapının hesaplanmış geçen süre ile ilişkisi
Elektrot çapı (d)
d1.5
2
2,82
124
120
2,5
3,98
87
86
3,25
6,1
57
60
4
8,0
43,1
42
5
11,2
31
31
6
15,0
23
24
8
22,4
15,6
16
Hesaplanmış t (saniye) Deneysel t (saniye)
I- 1 metre kaynak dikişinde kullanılan kaynak malzemesi : (P) Bu ağırlık, oksijen kaynağında olduğu gibi, tabanı kaynak ağzı kesiti ve yüksekliği bir metre olan prizmanın hacminden yararlanarak hesaplanır. Burada bulunan bağıntı da, oksijen kaynağında bulunmuş olan genel formüldür. P= C. S2 (g/ 1 m dikiş) P: 1 metre kaynak dikişi için gr cinsinden kaynak malzemesi C: Kaynak ağzının hazırlanış şekli ve açısına bağlı sabit, S: mm cinsinden sac kalınlığı
(8)
Tablo 7. Kaynak ağız şekli ve açıklarına göre verilen P değerleri
50o
60o 2
4.5S
5.4S
70o
80o
90o
Çukur Düz Bombe
6.6 S
2
2
7.8S
9.4S
2
5.8S
7.0S
8.5 S
10 S
2.0 S2
2.6 S2
3.2.S2
3.8 S2
4.5S2
2.3.S2
2.9 S2
3.5S2
4.2 S2
5.0S2
3.0 S2
3.7.S2
4.5 S2
5.4S2
6.4 S2
1.6 S2
1.9 S2
2.3.S2
2.7. S2
3.2S2
4.5S
10S2 2.5 h2
4h2
5 h2
2.5hoh1 4 hoh1 5hoh1
2.3 S2
2.9.S2
3.5S2
4.2 S2
5.0 S2
161 Tablo 7’de, “C” katsayısının kaynak ağız şekli ve açısına göre aldığı değerler görülmektedir. II- bir metre kaynak dikişi yapma süresi : (T) 1 cm 3 metal çökertmek için gereken elemansal süre: d1.5.t = 350 t= 350 / d1.5 (saniye /cm3) Çelik elektrot ile (yoğunluk 7.8) gram metal çökertmek için, t= 45/ d1.5 (saniye /1 m dikiş) T : 1 metre dikiş için geçen süre (saniye) t
: 1 gram çökeltme süresi (saniye)
C : Kaynak ağız şekli ve açısına bağlı sabit S : Sac kalınlığı (mm) d : Elektrot çapı (mm) III- 1m kaynak dikişi için gerekli elektrot sayısı (n) : % 80 verimli, d çapında, l uzunluğundaki elektrotun erimesinde gram cinsinden miktar, po =
π .d 2 4
1.7 ,8.0,8 gramdır.
d ve l “cm” cinsinden alınırsa, po = 5.d2. l “mm” cinsinden alınırsa, po= 5.d2.l / 103 gram/elektrot olacaktır. Buradan 1 m kaynak dikişi için gerekli elektrot miktarı: N= P/ po = 103 .C.S2/5.d2.l (adet / 1 m dikiş) şeklinde bulunur. dØ = 3 mm elektrotlarda l= 450 mm olduğundan, n = C. S2/ 2,25. d2 (adet / 1 m dikiş) olacaktır.
162 IV- 1 saatte ergitilen elektrot adedi: (N) T = 45. c. S2 /d1.5 saniye / 1 m dikiş, 3600 / T ,
1 saatte yapılan kaynak dikişi uzunluğu,
Buradan saatte ergitilen elektrot adedi: N= n. 3600 / t =
C.S2 3600.d 1.5 2.25.d 2 45.C.S2
36 (adet elektrot / saat) d Çalışma şartları ve elektrotların cinsine göre değişen kullanma katsayısı “k” göz önüne N=
alınırsa, ( k = % (60-80)) N = k.
36 (adet elektrot / saat ) bulunur. d
3. 4. 2. 1. 2 - Toz Altı Ark Kaynağı
1940’larda geliştirilen bu proseste Şekil 25’de görüldüğü gibi kaynak arkı kireç, silikat, magnezit, oksit gibi elementlerden oluşan taneli bir toz örtü altında meydana gelir. Şekilde gösterildiği gibi toz bir hazneden kaynak bölgesine ve elektrotun önüne kendi ağırlığı ile dökülür. Elektrot bir makaraya sarılmış ve kaynak bölgesine sürekli sevk edilebilen, iyi elektrik iletmesi için üzeri bakır kaplanmış bir tel şeklindedir.
Şekil 25- a) -Tozaltı ark kaynak işleminin temel prensibi,
163
Şekil 25- b) - Tozaltı ark kaynağında boyuna kesit (şematik)
Kalın bir toz tabakası bölgeyi tamamen örttüğünden kıvılcım oluşumu ve metal sıçraması önlenmiştir. Toz aynı zamanda bir izalatör gibi davranarak meydana gelen ark ısısının derinlere nüfuziyetini sağlar. Böylece sünek ve yumuşak bir kaynak dikişi oluşmasına yardımcı olur. Bu tabaka ergimiş metali çok iyi koruduğundan, sıvı metalde kaynama meydana gelir ve safsızlıklar giderilir. Tozun bir kısmı ergir ve kaynak üzerini örterek katılaşır. Neticede çok yüksek kaliteli dikiş meydana gelir. Katılaşan tozlar çatlayarak dikişten kolayca kaldırılabilir. Ergimemiş ve tekrar katılaşmış tozlar bir vakum sistemiyle geriye emilerek tekrar kullanılabilir. Güç kaynağı olarak AC veya DC akım kullanılabilir. Güç kaynaklarından sağlanan 600 -2 000 A’lik akım kullanılır. Toz altı ark kaynağı düşük karbonlu (< % 0.3 C) çeliğin köşe veya alın kaynağında yaygın olarak kullanılır. Ön ve son ısıtma yaparak sac veya plaka şeklindeki orta karbonlu ve alaşımlı çeliklerle bazı bakır alaşımları kaynatılabilir. Proses yüksek karbonlu takım çelikleri, dökme demirler ve alüminyum, magnezyum, titanyum, kurşun ve çinko için uygun değildir. Toz altı kaynağının özellikleri; yüksek kaynak hızı, yüksek metal ergitme oranı, derin nüfuziyet ve çok iyi temizliktir (tozdan dolayı). Genel olarak kaynak hızları 25 mm kalınlığındaki plakalar için 760 mm/dak veya 40 mm kalınlığındaki plakalar için 300 mm/dak.dır. Tek pasoda 40 mm derinliğin de kaynak yapılabilir. Alternatif olan diğer proseslerden daha az pasoda kaynak yapıldığından dikişte cüruf ve boşluk kalıntıları daha azdır. Kaynak kalitesi daha iyidir. Normal ark kaynağına göre saatte 4-10 misli fazla metal ergitilebilir ve verimleri yüksektir. Daha fazla metal biriktirme istendiğinde çoklu elektrotlar kullanılabilir. Bu teknik, gemi inşası, büyük çaplı çelik boru veya tanklar gibi büyük hacimli
164 parçaların kaynağında yaygın olarak kullanılır. Çeşitli tedbirler alarak değişik pozisyonlarda kaynak yapmak mümkündür. Geniş toz deposu ihtiyacı, tozun nemlenme ihtimali (boşluk ve gözeneğe sebep olur), giderilmesi gereken çok miktarda cüruf, tane kabalaşmasına sebep olan büyük ısı girişi, segregasyon ve sıcak çatlama ihtimalini arttıran yavaş soğuma hızı bu prosesin sınırlamalarıdır. Ergimiş kaynak bölgesinin % 70’ini elektrot malzemesi oluşturduğundan elektrotun kimyasal kontrolü önemlidir. Ergiyen elektrot bileşim bakımından sınıflandırılır ve 1.0 - 9.5 mm çapında yuvarlak, kaynak tabancası diye isimlendirilen bir tüp içerisinden otomatik olarak ilerleyen bir teldir. Büyük çaplı elektrotlar yüksek akım iletir ve ergime gücü yüksektir fakat nüfuziyet azlığına sebep olur. Elektrot telleri, orta karbonlu çelik, alaşımlı katı malzemeler veya ortasından alaşım elemanları ihtiva eden özlü elektrotlar olabilir. Tozlar kaynak metalinin özelliklerine göre sınıflandırılabilir. Düşük ergime sıcaklığına, yüksek sıcaklıkta iyi akıcılık özelliğine ve soğuma sonrası parçalanabilme özelliğine göre sınıflandırılırlar. Toz altı ark kaynağı ekipmanları; hızı operatör tarafından kontrol edilen yarı otomatik veya tam otomatik olabilir. Kaynak tabancası elle kullanılan (sabit iş parçası üzerinde kaynak operatörü dikiş doğrultusunda hareket ettirilir.) veya sabit olan tabanca altından iş parçası geçirme şeklinde olabilir. Prosesin değiştirilmesi ile kütle kaynağı olarak adlandırılan bir yöntem gerçekleştirilir. Bu yöntemde birleştirilecek plakalar arasındaki boşlukta ortak ergitme gücü ile yüksek oranda demir tozu biriktirilir. Böylece tek bir pasoda 50 kg/saat hızda kaynak metali biriktirilebilir. Bu hız, yedi veya sekiz normal toz altı ark pasosuna eşittir. Şekil 26’da gösterilen düzeni kullanarak toz altı ark pasosuyla düşey kaynak da yapılabilir.
Şekil 26 - Tozaltı ark kaynağı ile düşey pozisyonda kaynak yapmak için bir düzenek
165 Sabit bakır kalıplar ve sabit ergiyen bir elektrot kılavuzu kullanılır. Ergiyebilen tel kılavuzu tozla kaplanmıştır ve ergime, ergimiş toz banyosu içinde gerçekleşir. Bakır levha ile kaynak ara yüzeyinde katılaşmış toz alınır ve 100 mm kalınlığa kadar iyi kaynak kalitesi bu yolla elde edilebilir. Fakat 50 mm’den kalın plakalar için daha sonra açıklanacak elektro cüruf kaynak prosesi genellikle daha ekonomiktir. 3.4.2.1.3. - Gazaltı Ark Kaynağı (MIG ve MAG)
Bu işlemde ark, Argon, Helyum, CO veya çeşitli gaz karışımları gibi bir koruyucu gaz atmosferi altında meydana gelir. Ergiyen elektrot kaynak bölgesine bir nozul içinden otomatik olarak beslenir. MIG (Metal Inert Gaz) kaynağı olarak bilinen usulde ark ergiyen bir tel elektrotla iş parçası arasında meydana gelir. Otomatik olarak beslenen bu elektrot aynı zamanda ergidiği için dolgu malzemesi görevini de görür. Şekil 27.a ve b, gaz - metal ark kaynağının prensibini ve dikiş oluşumunu göstermektedir. Asal gazların kullanımına ilave olarak genellikle dezoksidanlar mevcuttur ve oksidasyonu önlemede yardımcı olur. Argon ve helyum veya her ikisinin karışımı herhangi bir metal kaynağında kullanılabilmesine rağmen aslında demir dışı metallerin kaynağına uygundur. Çeliklerin kaynağında ise genellikle bir dezoksidan elektrot kullanmak şartıyla daha ucuz olan CO2 yalnız kullanılabilir. Koruyucu gazlar elektrottan iş parçasına metal transferinin tabiatı üzerine önemli etkiye sahiptirler.
Şekil 27- a ) - Gaz - Metal ark kaynağının prensibi, b) - Ark ve dikiş oluşumunun detayı. MIG kaynağı olarak da bilinen bu proses metal imalat endüstrisinde yaygın olarak kullanılır.
166 Ayrıca ısı transfer davranışı, nüfuziyet ve alttan sarkmaya (kaynak aralığından sızarak sıvı metalin sarkması) meyli de etkilerler. Mesela kullanılan koruyucu gaz cinsine bağlı olarak (Ar, Ar - O2, CO2)metal transfer şekli sprey veya kürecikler şeklinde oluşur. Akımın dalga şeklini ayarlayarak damla, duş veya kısa devre damla şeklinde metal transfer mekanizmasını değiştirmek mümkündür. Temel prosesteki bu değişimlerle, darbeli ark kaynağı, kısa devre ark kaynağı ve spray transfer kaynağı çeşitleri ortaya çıkar. Normal ark kaynağındaki gibi sık sık elektrot değiştirme olmadığı için bu proses hızlı ve ekonomiktir. İlave olarak kaynak dikişi üzerinde cüruf meydana gelmez ve böylece kaynak bölgesinde fazla miktarda metal biriktirmek mümkündür. Proses otomatize edilebilir ve eğer el ile yapılırsa nispeten hafif bir kaynak tabancası kullanılır. Derin nüfuziyet, spray transferi, iyi görünüşlü düz bir kaynak verdiği için DC voltaj ile, ters kutuplamalı ark oldukça sık kullanılır. Proses değişkenleri akımın cinsi ve şiddeti, koruyucu gaz, metal transfer çeşidi, elektrot bileşimi ve çapı, kaynak hızı ve voltajı, ve ark boyudur. 1930’larda geliştirilen bu proses metal imalat sanayinde yaygın olarak kullanılır. Hemen hemen bütün metal ve alaşımlar bu proseste kaynatılabilir. İşlemin özelliğinden dolayı jeneratörlerin kullanılması kolaydır. Normal metal ark kaynağına göre iki kat daha fazla kaynak verimine sahip olduğundan ekonomik ve daha verimli bir yöntemdir. Düşük akım, düşük voltaj ve küçük çaplı elektrotlarla kısa devre tekniği kullanılır. Bu durumda elektrottan iş parçasına damlalar halinde metal transfer olur ve elektrot ucu ergimiş bölgeye dokunduğu zaman kısa devre meydana gelir. Yüksek akım ve büyük çaplı elektrotlarla metal transfer şekli değişir ve transfer olan metal miktarı hızlıca artar. Bu şekilde kalın kesitli ve basit parçalar birleştirilir. Ancak gazaltı ark kaynağında sıcaklıklar nispeten düşük olduğundan işlem 6 mm’den ince plakalar ve saclar için daha uygundur. İmalat sanayinde normal metal ark kaynağı yerine rahatlıkla kullanılabilir. Bu proses aynı zamanda robotlarla esnek imalat yöntemlerine uygun hale getirilebilir. Bu işlemi gerçekleştirmek üzere çok sayıda geliştirilmiş robotlar mevcuttur. Fakat bu robotların kompüter elektroniği kaynak işleminin yaydığı yüksek frekans etkisinden korunmalıdır.
167 3. 4. 2. 1. 4- Özlü Elektrotla Ark Kaynağı
Bu proseste kaynak, içi boş boru şeklinde ve ortası toz ile doldurulmuş sürekli bir tel elektrotla yapılır (Şekil 28). Bu toz normal elektrot örtüsünden daha sünektir ve elektrot sargı halinde bir makaraya sarılı yumak halindedir. Bu tozu elektrot içinde tutabilmek için bir bağlayıcıya ihtiyaç olmadığından az boşluklu ve süreklidir. Bu bakımdan normal elektroda yapılan ark kaynağının bir adaptasyonu şeklinde görülebilir. Koruyucu atmosfer tozun yanması ile sağlanır ve ayrıca koruyucu bir cüruf oluşur. Kaynak özelliklerine katkıda bulunmak için genellikle dışardan CO2 koruyucu olarak gönderilebilir. Bu proses bu haliyle gaz altı kaynağına benzer. Bu kaynak yöntemi normal ark kaynağının verimliliği ile gaz altı prosesinde ki otomatik elektrot besleme ve devamlılık avantajlarına bir arada sahiptir. Özlü elektrotlar 1.5 - 2.5 mm çapındadır. Proses verimli, otomatik ve ekonomiktir. Hemen hemen her zaman ters kutup ve DC güç kaynağıyla ferro malzemelerin birleştirilmesinde yaygın olarak kullanılır. Gaz altı kaynağına göre daha fazla kaynak metali ergitme hızına (ergitme gücüne) sahip olduğundan 25 mm’den kalın kesitlerin birleştirilmesinde kullanılır. Çok küçük çaplı özlü elektrotların geliştirilmesi ile daha küçük kesitli parçaların kaynağına elverişli hale getirilmiştir. Özlü elektrotla yapılan kaynağın büyük avantajlarından biri istenen kaynak metali bileşimini kolayca sağlamasıdır. Elektrot telinin özündeki toza alaşım ilavesi yapılarak kaynak bölgesi alaşımlandırılabilir. Proses esnek imalat yöntemleri veya özellikle robotik sistemler ile kolayca adapte edilebilir. 3. 4. 2. 1.5- Elektrocuruf Kaynağı
1950’li yıllarda geliştirilen elektrocuruf kaynağı özel ekipman gerektirmesi nedeniyle özel bir kaynak prosesidir (Şekil 29). Kaynak metali birleştirilecek plakalar arasındaki boşlukta ergitilir. Boşluk (aralık), oluşacak ergimiş metal ve cürufun taşmasını önlemek için su ile soğutulan iki bakır plaka veya papuçla kapatılır. Böylece ergimiş sıvılar bu plakalar vasıtasıyla sınırlanır. Kalın kesitli çelik plakaların kaynağı için çok etkili bir prosestir. Isı, bir sıvı cüruf içinden akım geçmesi ile sağlanır ve direnç ısısı 1760 oC’ye kadar yükselir.
168
Şekil 28- Özlü elektrot ark kaynağı prosesi. Bu proses gaz metal ark kaynak prosesine çok benzer ve otomasyona uygundur
Şekil 29 - Genellikle ağır çelik kesitler için kullanılan elektrocuruf kaynak işleminin prensibi
169 Doldurma teli bir kılavuz tüp içinde ilerler ve ergitme işlemini başlatmak için ark oluşturulur. Denge sağlandıktan sonra ark söndürülür ve gerekli enerji ergimiş cürufun elektriki direnci ile sağlanır. Sürekli ark oluşmadığından proses toz altı ark kaynağından farklıdır ve kaynayacak metalin elektrik direnci ısı üretiminde rol oynamaz. Ergimiş cüruf kaynayacak parçaların kenarlarını ergitirken doldurma metali olarak elektrotlar sürekli beslenir. Düzenli bir sıvı metal miktarını sağlamak için sık sık çoklu elektrotlar kullanılır (Şekil 30). Tipik olarak ergimiş cüruf derinliği 65 mm ve ergimiş metal 12 - 20 mm kalınlığındadır.
Şekil 30- Çoklu elektrotun kullanıldığı bir elektrocuruf kaynağı ve kaynak bölgesinin kesiti (Şematik)
Anlaşılacağı gibi derin bir cüruf banyosunun devamlılığı için en iyi şartlar düşey pozisyonlarda mevcuttur. Bu bakımdan proses bu tip işler için kullanılır. Fakat proses aynı zamanda özel bükülmüş cüruf tutucu plakalar kullanarak büyük boruların çevresel kaynağı için de kullanılabilir. Düz parçaların kaynağında yan plakalar mekanik sürücüler ile yukarı doğru hareket ettirilmesine rağmen boru kaynağında kaynak alanının devamını sağlamak için borular döndürülerek kaynak sürekli düşey pozisyonda gerçekleştirilir. Çok miktarda ısı ve kaynak metali sağlanabildiğinden elektrocuruf kaynağı kalın parçaların kaynağı için en uygun prosestir. Tek ve çok elektrot kullanarak 13 mm’den 900 mm’ye kadar plakalar tek pasoda kaynatılabilir ve kaynağın uzunluğu hemen hemen sınırsızdır. Genellikle 600 A ve 40-50 V’luk akım kullanılarak daha kalın parçalar için akım yükseltilebilir. Kaynak ağzı hazırlama işi minimumdur. Sadece 25 - 35 mm ye kadar aralanmış kare ağızlar gereklidir. Uygulamaları; çeşitli konstrüksiyonlar, makina imalatı, ağır basınçlı kaplar, nükleer reaktör kapları ve büyük dövme ve dökme parçaların birleştirilmesi olarak sayılabilir. Elektrocuruf kaynağının bir başka uygulaması elektrogaz kaynağıdır. Bu işlemde kaynak bölgesi CO2, Ar veya He gibi asal gazlarla korunurken, ısı sürekli bir ark ile sağlanır. Gaz seçimi kaynatılacak malzeme seçimine bağlıdır.
170 Elektrogaz kaynak makinalarında 400 A’e kadar çubuk elektrotlar, 750 A’e kadar özlü elektrotlar kullanılabilir. İyi bir kaynak kalitesi elde etmek için katılaşmanın kontrol edilmesi çok önemlidir. Çünkü kaba bir sütun şeklinde tane oluşur. Çatlama meyli, akım, voltaj, cüruf derinliği, elektrot sayısı ve elektrot hızı ayarlanarak kontrol altına alınabilir. Bunun için geniş ve sığ bir ergimiş metal banyosu meydana getirilir. Geniş bir bölgenin ısıdan etkilenmesi ve aşırı büyük tane oluşumu prosesin bir özelliğidir. Uzun termal bir aralık oluşmasına rağmen ısının etkisi altındaki bölgede iç gerilmeler distorsiyon ve çatlama tehlikesi minimuma indirilmiştir. Eğer iyi bir kırılma direnci istenirse müteakiben ısıl işlem gerektirir. 3.4.2.1.6- Ergimeyen Elektrotlarla Ark Kaynağı
Ergimeyen elektrotla kaynak proseslerinde ark iş parçası ile elektrot arasında veya elektrotla kaynak tabancası arasında meydana getirilerek gerekli enerji sağlanır. Bu durumda ilave bir malzeme kullanmaya çoğunlukla ihtiyaç vardır veya kullanılmayabilir. Bölge, genellikle bir koruyucu gazla korunur. 3. 4.2. 1. 6. 1 - Gaz-Tungsten Ark Kaynağı (TIG)
Gaz- tungsten ark kaynağı (Bu proses daha çok Tungsten Inert Gaz, TIG kaynağı olarak bilinir.) basit örtülü elektrotların kullanımından bu yana önemli gelişmelerden biridir. Orijinal olarak magnezyumun kaynağı için geliştirilen bu proseste özel bir tutucu ile tutulan bir tungsten (ergimeyen) elektrot etrafındaki bir delikten kaynak bölgesine asal gaz gönderilir. Bu asal gaz ark ve ergimiş metal banyosu etrafında akar ve bölgeyi atmosferin etkisinden korur. Koruyucu gaz genellikle Ar veya He’dan biri veya her ikisinin karışımıdır. Tungsten elektrot, bu inert gazlardaki ark sıcaklığında ergimediğinden ark boyu sabit kalır ve böylece ark stabil ve devamlıdır. Elektriki özellikleri geliştirmek ve daha iyi elektron yayınımı sağlamak için tungsten elektrotlar bazen Toryum veya Zirkonyum ile alaşımlandırılır. Arkın başlamasını ve devamını sağlamak için yüksek AC veya DC kaynak voltajı ile yüksek frekans uygulanır. Elektriki parametrelerin düzenli kontrolü ile belli metaller için istenen ark kaynağı karakteristikleri elde edilebilir. Güç beslemesi birleştirilecek metale bağlı olarak AC (500 A) veya DC (200 A) olabilir. Şekil 31(a) ve (b) su soğutmalı tipik bir tungsten ark kaynak prensibini ve tabancasını göstermektedir. İyice kapanmış ve aralığı olmayan durumlarda herhangi bir ilave kaynak metali kullanmadan kaynak yapılabilir. Eğer bir doldurma metali gerekliyse Şekil 32’de gösterildiği gibi birleştirilecek malzemeye göre ayrı bir tel malzeme gönderilmelidir. Bu durumda kaynak metali bir makaradan beslenebilir. Yüksek oranda sıvı metal biriktirilmesi gereken yerlerde doldurma metalini önceden ısıtmak için ayrı bir elektriki devre kullanılır. Şekil 33’de gösterildiği gibi soğuk telden birkaç kat daha fazla ergitme hızı sağlanabilir. Ayrıca kaynak pasosunu, doldurma metalini kenardan kenara sallayarak yapmak
171 ergime oranını arttırabilir. Doldurma metalinin düşük direnci sebebiyle, sıcak tel prosesi bakır ve alüminyum için pratik değildir. Toz kullanılmadığından TIG kaynağı çok temizdir ve özel temizleme veya cüruf giderme işlemleri gerektirmez. Usta operatörler ile yapılan bu kaynakta dikiş zor görülebilir. Fakat kaynatılacak yüzeyler yağ, gres, boya veya pas gibi kirliliklerden arındırılmalıdır.
Şekil 31- a) Gaz tungsten - ark kaynağı prosesinin prensibi, b) - Gaz tungsten ark kaynağında kullanılan bir kaynak torkunun kesiti. TIG kaynağı olarak ta bilinen bu kaynak işlemi çok yüksek kaliteli kaynaklar ve kritik uygulamalar için kullanılır.
172
Şekil 32-TIG kaynağında oluşan ark bölgesinin detayı ve kullanılması gereken ilave tel
Şekil 33- TIG kaynağında soğuk ve sıcak kaynak teli ile metal biriktirme oranlarının karşılaştırılması
TIG kaynağı çok çeşitli metal ve alaşımlarının kaynağında kullanılırsa da çok kritik, hassas ve özellikle ince malzemelerin kaynağında bir sorun çıkarmadan işlem gerçekleştirilebilir. Çok iyi ve kaliteli dikişler verir. Bu yüzden çok yüksek kaliteli kaynak prosesi olarak bilinir. AC voltaj yüzeydeki oksitleri parçalayabilmesine rağmen DC voltajla düz kutuplama yapmak suretiyle maksimum nüfuziyet elde edilir. Ters kutuplarına tungsten elektrotun ergimesine sebep olur. Kaynak voltajı 20- 40 V ve kaynak akımı ters kutuplu DC için 125 A’den az ve düz kutuplu DC için 1000 A’e kadar değişir. Endüstriyel uygulamaları sınırlı olmasına rağmen atomik enerji kaynağı, koruyucu bir hidrojen atmosferinde oluşan bir arkla yapılır. Bu usulde dolgu metali kullanılır veya kullanılmaz. Ark iki tungsten elektrot arasında meydana gelir. İş parçası elektriki devrenin bir parçası değildir. Hidrojen aynı zamanda elektrotları soğutur. 3.4.2.1.6.2 - Gaz Tungsten Nokta Kaynağı
Gaz-Tungsten ark kaynağının bir çeşidi olan bu proses, bağlanacak parçaların her iki tarafına aynı anda temas etmeden iki metal parçası arasında bir kaynak bağı oluşturmak için kullanılır. Temel prensibi Şekil 34’de gösterilen bu yöntemde parçanın bir yüzüne bastırılan bir nozul ile birlikte, inert gaz, tungsten ark tabancası ve nozulu kullanılır. İş parçaları, iyi bir temas sağlamak için bir tarafına uygulanması gereken basıncı karşılayacak şekilde rijit olmalıdır. Tungsten elektrot ve üst taraftaki parça arasında oluşan ark gerekli ısıyı sağlar ve genellikle argon veya helyum gibi asal bir gaz nozul içinden akarak koruyucu bir atmosfer temin eder. Otomatik kontrol ünitesi, arkı başlatmak üzere iş parçası ile ani temas yapmak için elektrotu ileri ve geri hareket ettirerek arkın devamlı sağlanacağı bir mesafede tutar. Ark süresi, tabanca
173 nozulunun basıncı altındaki iş parçasında nokta şeklinde bir bağ oluşturacak ve yeterli ısıyı sağlayacak şekilde otomatik olarak ayarlanır. Kaynak dikişinin derinliği ve boyutu akım, zaman ve gaz çeşidi ile kontrol edilir. İşlem iş parçasının sadece bir tarafından yapıldığı için bu çeşit nokta kaynağı ince levhaların birleştirilmesinde ve bazı uygulamalarda direnç nokta kaynağına göre bir avantaja sahiptir.
Şekil 34- TIG kaynak işlemiyle nokta kaynağı yapma metodunun şematik prensibi
3.4.2.1.6.3- Plazma Ark Kaynağı
Plazma ark kaynağında ark ergimeyen bir elektrotlu kaynak tabancası veya iş parçası arasında meydana gelir. Bu ergimeyen elektrotlu ark kaynağı prosesinde asal bir gazın iyonize olmasıyla elde edilen yüksek ısıdan faydalanılır (Şekil 35). Kaynak dolgu metali kullanılır veya kullanılmayabilir. Ark, bir orifis gazını (asal gaz) ısıtır, ısınan ve iyonize olan elektrot etrafındaki gaz bir nozul içinden daralarak geçer ve iş parçasına yönlendirilir. Bütün bunların dışındaki bir nozuldan da koruyucu bir gaz gönderilir. Kaynak bölgesinde aşırı ısınmış sıcak plazma jeti amaçlanır. 33 000°C’ye kadar yüksek sıcaklıkta dengeli bir ark elde edilebilir.
Şekil 35- Plazma - ark kaynak işleminin prensibi. Diğer metotlarla karşılaştırılırsa bu kaynak yöntemi ile daha derin ve daha dar kaynak dikişi elde edilirken çok daha yüksek kaynak hızları sağlanır.
174 Diğer metotlarla karşılaştırıldığında bu proseste büyük enerji konsantrasyonu, yüksek kaynak hızı, derin nüfuziyet, dar ısıdan etkilenen bölge, az distorsiyon, daha az doldurma metali, daha yüksek sıcaklık ve stabil ark uzunluğu sağlanır. Proses parametrelerinin kontrolü ile farklı kaynak özellikleri veren plazma ark kaynağının diğer çeşitleri ortaya çıkar. Kaynak akımı genellikle 1 - 100 A arasında olup özel uygulamalar için daha da yüksek olabilir. Plazma ark tekniğiyle hemen hemen bütün metaller ve alaşımlar kaynatılabilir. Düşük basınçlı bir plazma sadece metal ergitmede ve doldurma kaynağında kullanılır. Yüksek basınçlarda üfleme etkisi meydana gelir ve 6 mm kalınlığa kadar saclarda plazma arkı, metal tarafından çevrelenmiş bir delik oluşturur. Ark gezdiği için sıvı metal bu deliğe dolar. Eğer basınç daha da arttırılırsa ergimiş metal bölgeden üflenerek uzaklaştırılır ve proses plazma kesmeye dönüşür. Çoğu plazma kaynak torcları, torc içinde yer değiştirmeyen küçük bir ark verir ve bu ark orifis gazını ısıtarak iyonize eder. Esas transfer arkı için iletken bir yol oluşturur. Bu ise düşük akımda arkın aniden başlamasını kolaylaştırır. Böylece normal plazma torcunda meydana gelenden daha düşük, daha dengeli ve daha kolay kontrol edilebilen ark oluşur. Pilot ve esas ark için ayrı ayrı DC güç kaynağı kullanılır. 3.4.2.1. 6.4-Ark Alın Kaynağı
Bu yöntemde ısı birleşecek parçaların temas etmekte olan uçları arasında oluşan ark ile sağlanır(Şekil 36(a)). Kaynatılacak parçalar makinaya negatif ve pozitif kutup oluşturacak şekilde yerleştirilir ve hafifçe temas ettirilir. Ön ısıtma sağlamak için devreden bir elektrik akımı geçirilir. Arkın oluşması nedeniyle bu proses ark kaynağı sınıfına sokulabilir. Meydana gelen arkla ara yüzey ergir ve oksitler parçalanır. Birleştirmeyi sağlamak için kontrollü bir şekilde basınç uygulanır ve plastik deformasyon oluşur. Basınç katılaşma tamamlanıncaya kadar uygulanır. Operasyon sırasında kirlilik ve safsızlıklar parçalanarak atıldığı için kaynak kalitesi çok iyidir ve işlem sırasında bir miktar malzeme yanarak etrafa saçılabilir. Ayrıca birleşme bölgesi bir miktar şişer. Bu şişkinlik parçalar makineden çıkarıldıktan sonra estetik görünüm için işlenerek temizlenir. Şekil 36 (b), prosesin şematik bir şeklini göstermektedir. Ark yeterli ergime sağlayacak ve plastik deformasyon oluşması için metal mukavemetini azaltacak kadar olmalıdır. Kaynak bölgesindeki şişme saf olmayan bütün metali bölgenin dışına atacak yeterlilikte olmalı ve böylece kaynak bölgesinde temiz metal kalmasını temin etmelidir. Bu yöntem benzer veya farklı metallerin birleştirilmesi için uygun bir yöntemdir. Dolu veya boru şeklindeki parçaların alın birleştirmeleri için kullanılabilir. İçi boş metal mobilya parçaları, metal çerçeveler ve borular gibi mamulleri birleştirilmesinde yaygın olarak
175 kullanılır. Çok ince kesitler için olanlar hariç gerekli ekipman büyük ve pahalıdır. Ark alın kaynak makinaları genellikle otomatik ve geniş bir güç alanına sahiptirler. Bu güç aralığı 101500 kVA’ tır. Sistem seri üretime uygun hale getirilerek yüksek imalat hızlarında çok iyi kaynaklar elde edilir. Meydana gelen şişlik işlenmek zorunda olmasına rağmen (içi boş parçaların iç kısımlarında problem olabilir.) Çoğu zaman yüzey hazırlamaya gerek yoktur.
Şekil 36 - a) - Ark -alın kaynağında arkın oluşumu ve kaynaktan sonra kaynak bölgesindeki şişme b) - Ark - alın kaynağının prensip şeması. Bu proses, parçaların alın alına veya kenar kenara kaynağı için uygundur.
3.4. 2. 1. 6.5- Şok Kaynağı
Yukarıda açıklanan işlemlerde gerekli gücü sağlamak için kaynak transformatörüne ihtiyaç olduğu halde kaynak için elektrik enerjisi bir kondansatörde biriktirilebilir (depolanabilir). Ark alın kaynağına benzer bir metot olan bu proseste ısı, kondansatördeki elektrik enerjisinin ani olarak boşalması ile üretilen bir arktan sağlanır. Bu boşalma çok kısa bir zamanda (0.001 sn’den az ) meydana geldiği için ara yüzeyde yüksek bölgesel ısı oluşur. Birleşmeyi sağlamak için basınç uygulaması gerekir. Kaynak civarındaki ısıdan etkilenen bölge oldukça küçük olduğu için proses elektronik endüstrisindeki gibi ısıya hassas olan bir çok parçaya uygulamada caziptir. Ayrıca ark alın kaynağı ile kaynatılamayan değişik malzemelerin birleştirilmesi veya kaynak bölgesinde arkın arzu edilmediği durumlarda uygundur. 3.4.2.1.6. 6- Pim ve Saplama Kaynağı
Bu işlem ark alın kaynağına benzer. Saplama (pim, vidalı pim veya kancalı pim gibi) düz bir plaka yüzeyine kaynatılırken elektrotlardan biri gibi davranır (Şekil 37). Bu yöntemde Şekil 38’de gösterilen özel bir tabanca kullanılır. Kaynatılacak pim bu tabanca içine yerleştirilir.
176 Isıyı yoğunlaştırmak, kaynak bölgesinde oksidasyonu önlemek ve ergimiş metali bölgede biriktirebilmek için hareketli bir seramik halka birleşme bölgesinde yerleştirilir. Az miktarda metal ergiyinceye kadar saplama ve düz yüzey arasına DC voltaj uygulanır. Parçalar hafif bir basınç altında tutulur ve katılaşmaya müsaade edilir. Arkın oluşumunu, süresini ve uygulanan basıncı otomatik bir ekipman kontrol eder.
Şekil 37- Saplama kaynağının safhaları. Bu proses ark alın kaynağına benzer ve metal plakalar üzerine pim, saplama ve civata gibi elemanları kaynatmada kullanılır.
Tabancaya yerleştirilmeden önce saplamanın serbest ucuna takılan seramik halka, ark ısısını konsantre etmesi ve metali atmosferin kötü tesirinden koruması açısından önemli bir görevi yerine getirir. Aynı zamanda ergimiş metali kaynak bölgesinde sınırlandırarak saplamanın çevresinde şekillenmesini de sağlar. Kaynak tamamlandıktan sonra halka saplamadan kırılır. Saplamanın ergimesi nedeniyle uzunluğu azalır. Bu bakımdan bu faktör dizaynda dikkate alınmalıdır. Saplama ve yüksük tabanca aynasına tabancanın ise iş parçası üzerine ayarlanmasından başka proses operatör açısından bir ustalık gerektirmez. Operatörün yapacağı tek şey tetiği çekmektir. İşlemin geri kalanı kendiliğinden gerçekleşerek bir saniyeden az zaman harcanır. Proses imalatta çok yaygın olarak kullanılması yanında birçok deliğin delinmesi veya kapatılması için kullanılabilir. Özel üretim için kaynak makineleri saatte 1000 kaynak yapabilme kapasitesine sahiptirler. 3. 4.2. 1. 7- Ark Kaynağının Avantaj ve Dezavantajları
Mevcut olan proseslerin çeşitliliği ve değişkenliği sebebiyle ark kaynağı güncel, verimli ve yaygın olarak kullanılan bir prosestir. Fakat, gaz altı tungsten ark nokta kaynağı, saplama kaynağı ve bir derece toz altı ark kaynağı hariç çeşitli ark kaynak prosesleri bir dezavantaja sahiptir. Çünkü sonuçta kaynağın kalitesi, kaynağı yapan işçinin ustalığına ve becerisine bağlıdır. Otomasyon ve robotik bu problemin azaltılmasına yardım ederken uygun seçim, denetim ve personelin eğitimi büyük öneme sahiptir. Kaynak kalitesini belirlemek için birçok tahribatsız muayene teknikleri geliştirilmiştir.
177
Şekil 38 - Saptama kaynak tabancasının şematik yapısı
3.4.2.1.8- Ark Kaynağı İçin Güç Kaynakları (Kaynak Makinaları)
Ark kaynağında gerçek ark voltajı 12-300V olmasına rağmen ark uzunluğuna bağlı olarak yük voltajı genellikle 30 - 40 V arasındadır. DC ve AC akımın her ikisi de kullanılabilir. Genel olarak düşen voltaj karakteristiklerine sahip ve kapasiteleri 150 - 1000 A arasında olan makinalar kullanılır (Şekil 39). Bu karakteristikler voltaj kararsız olduğu için faydalı çalışma aralığında akımın büyük oranda düşmesini temin eder.
Şekil 39 - Tipik ark kaynağı güç kaynaklarının düşen voltaj karakteristikleri
İlk yıllarda kaynak için gerekli doğru akım, motor- jeneratör grubuyla sağlanıyordu. Fakat bugün katı - faz transformatör - rektefier makinalar genel olarak çok kullanılan güç kaynaklarıdır. Trifaze güç girişiyle DC ve AC çıkışı sağlanabilir. Elektrik enerjisinin bulunmadığı yerlerde gazolin- motor DC jeneratörleri kullanılabilir.
178 Eğer sadece AC kullanılacaksa nispeten basit transformatör tipi makinalar mevcuttur. Genellikle bu makinalar düşük güçlü ve tek fazlı üniteler olmasına rağmen ihtiyaç durumunda birkaç makina üç fazlı enerjiye bağlanarak birleştirilebilir. Böylece yükün dengelenmesine yardım ederler. Genellikle gücü arttırmak için dahili kapasitöre sahiptir. 3. 4. 2. 1. 9- Ergitme Kaynağı Çeşitleri
Ergitme kaynağının dört temel tipi vardır. Dikiş (kordon) kaynağı kaynak ağzı gerektirmez. Fakat kaynak düz bir yüzey üzerine yapıldığından ve nüfuziyet sınırlı olduğundan sadece ince metal plakaların birleştirilmesi, yüzeye yığma veya sert dolgu uygulamaları için uygundur. Kalın metallerde ve kesit boyunca mukavemetin önemli olduğu yerlerde oluk kaynakları kullanılır. Bu çeşit kaynaklar alın alına getirilen kenarlar arasında bir kanala (oluk) şeklinde kaynak ağızlarının hazırlanmasını gerektirir. V, çift V, U ve J konfigürasyonları genellikle oksi-asetilen alevi ile açılan yaygın ağız şekilleridir. Bu ağzın şekli öncelikle iş parçası kalınlığına ve uygulanacak kaynak prosesine, işin pozisyonuna, minimum kaynak metali ergitme ve bütün kesit boyunca nüfuziyet oluşturma durumuna bağlıdır. Kaynak, tek veya çift pasoda tamamlanabilir. Bu durum kaynak prosesine ve metal kalınlığına bağlıdır. Kaynatılacak ağızlar arasında uygun aralık sağlamak ve uygun kalitede kök pasosu elde edilmesine yardımcı olmak için sık sık ergiyebilen özel ara yüksüğü veya şerit kullanılır. Bunlar özellikle boru hatlarının kaynağında, arazi şartlarında ve sadece bir taraftan kaynak yapma zorunluluğu olan yerlerde faydalıdır. T, bindirme ve köşe birleştirmelerinde köşe kaynakları kullanılır. Köşe kaynağının boyutu dikiş kesitine çizilebilen en büyük dik ve 45o’lik açılı üçgenin bir kenar uzunluğuyla ölçülür. Bu ölçü, Şekil 40’da gösterilmiştir. Bu ölçü çerçevesinde aşırı metal yığılmasından kaçınarak uygun köşe kaynağı şekli ve düşük gerilme yığılmaları sağlanır. Köşe kaynakları özel kaynak ağzı hazırlamayı gerektirmez. Buşon (tapa) kaynakları, bir parçayı bir diğerinin üzerine civata veya perçin kullanmaksızın birleştirmede kullanılır. Üst plaka üzerine bir delik açılır ve kaynak bu deliğin tabanından başlatılır. Civata veya perçinle karşılaştırılırsa ağırlık açısından önemli bir tasarruf sağlandığı görülür.
179
Şekil 40 - Bir köşe kaynağında boyut ölçme metodu ve tercih edilen şekiller
Şekil 41, kordon, oluk ve bindirme (köşe)kaynaklarının kullanıldığı beş temel tip bağlantıları ve Şekil 42’de bu bağlantılarının yapıldığı metotlar gösterilmektedirler. Uygulanacak kaynak bağlantı tipini seçmede göz önüne alınması gereken ilk husus konstrüksiyonun maruz kalacağı yükün cinsi olmalıdır. Bu gerçek çok sık ihmal edilir ve sonuçları “ kaynak hatası ” olarak yanlış isimlendirilir. Maliyet önemli olduğu için birleştirme seçiminde bir faktör olarak ortaya çıkar. Maliyet arzu edilen ağız hazırlaması ergitilmesi gereken kaynak metali miktarı, işlemin ve kullanılan ekipmanın çeşidi, kaynak hızı ve diğer kolaylaştırıcı faktörler ile etkilenir. Girdiler, bu faktörlerin birçoğu üzerinde önemli etkiye sahip olacaktır. İmalat kaynağında, kaynak klapeleri ve bağlama elemanları (pozisyonlayıcı olarak da adlandırılır.) kullanılır. Bu elemanlar kaynağın en uygun pozisyonda yapılabilmesini sağlar ve elle istenen şekilde ayarlamayı mümkün kılar. Tonlarca ağırlıktaki geniş gövde saclarını tutabilen özel pozisyonlayıcılar mevcuttur.
Şekil 41 - Temel bağlantı şekilleri
180
Şekil 42 - Yaygın kullanılan birleştirme şekilleri ve çeşitli kaynak prosedürleri
3.4.2.2 - Elektrik Direnç Kaynağı 3.4.2.2.1 - Direnç Kaynak Teorisi
Direnç kaynağı ile birleştirme yapmak için ısı ve basıncın her ikisi birden kullanılır. Gerekli ısı iş parçaları ve ara yüzeyin elektriki direnci ile sağlanır. İş parçalarının temasını sağlamak üzere başlangıçta belli bir basınç uygulanır. Elektrik akımının hassas ayarı ve kontrolü ile basıncın uygulanması bu kaynağın esasını oluşturur. Ara yüzeyde elektrik direnci kontrol edilerek ergimeye yakın yeterli sıcaklık sağlandığı zaman basınç arttırılır. Uygulanan basınç sebebiyle gaz veya ark kaynağı sırasında meydana gelenden daha düşük sıcaklıkta birleşme sağlanır. Netice olarak, modern direnç kaynağında metalin ergimesi özellikle istenerek meydana getirilmez. Böylece bu kaynak katı faz prosesi sayılabilir. Kirlenmeler ve oksit tabakalarının varlığı katı hal birleştirmelerindeki kadar kritik olmamasına rağmen birleşmenin mukavemeti ara yüzeyin temizliğine bağlıdır. Bazı direnç kaynağı işlemlerinde dövülmüş belli bir bölge sağlamak için yumuşama gerçekleştikten sonra ani olarak ilave basınç uygulanır. Böylece bir miktar tane küçülmesi meydana gelir. Temperleme yapmak ve gerilme gidermek için işlemin bir parçası olarak biraz ilave ısıtma da uygulanabilir. Gerekli sıcaklık genellikle çok kısa zamanda sağlanabildiğinden kaynak birkaç saniye veya daha az zamanda tamamlanır. Neticede direnç kaynağı çok hızlı ve ekonomik bir proses olup imalat için çok yaygın olarak kullanılır. 3. 4.2.2.2- Isıtma
Direnç kaynağı için gerekli ısı aşağıdaki temel bağıntıya uygun olarak, iş parçalarından kısa aralıklarla yüksek bir elektrik akımı geçirerek elde edilir. Oluşan ısı şöyle ifade edilebilir; H = I2. R .t
(9)
181 Burada H: ısı ( Joule: W.s ), I: akım (A), R : devrenin elektriki direnci (ohm) ve t: akım geçiş süresi (s)’dir. Çoğu durumlarda alternatif akım kullanılır. Şekil 43’te gösterildiği gibi, kaynatılacak iş parçaları devrenin bir elemanıdır. Bu bakımdan birleşmenin ısı artışı, kaynatılacak malzemelerin özgül ısısı ve termal iletkenliğine bağlıdır. Belirtmek gerekir ki üç kısımdan oluşan elektrotlar arasındaki devrenin toplam direnci; 1 - İş parçasının direnci, 2 - İş parçası ve elektrotlar arasındaki temas direnci ve 3 - Temas yüzeyi olarak ta bilinen birleştirilecek yüzeyler arasındaki dirençten ibarettir. Kaynak yapılacak noktada maksimum sıcaklığa ulaşılmak istendiğinden 1 ve 2 direncini 3 direnci ile ilgili olarak mümkün olduğu kadar düşük tutmak gereklidir. Daha açık olarak alüminyum ve bakır gibi düşük elektrik direncine sahip malzemeler ile bu şartı sağlamak zordur. Bu bakımdan bu metallerde akım ve arayüzey şartlarına, çeliğe göre daha çok dikkat etmek gerekir. İş parçasının direnci metalin cinsi ve kalınlığı ile belirlenir. Çoğu metaller nispeten yüksek elektrik iletkenliğine ve geniş direnç alanına sahip olduğundan diğer iki dirençten daha az direnç gösterirler. İş parçası ve elektrotlar arasındaki direnç, iyi elektrik ileten elektrot malzemesi kullanarak, elektrotların şekil ve boyutunu kontrol ederek ve iş parçası ile elektrotlar arasında uygun basınç kullanarak en aza indirilir. Elektrot ve iş parçası arasındaki basıncın herhangi bir şekilde değişmesi, temas yüzeyleri arasındaki basıncın da değişmesine sebep olduğundan, elektrot – iş parçası arasındaki direncin kontrolü sınırlı olarak bu yolla sağlanabilir. Temas yüzeyleri arasındaki direnç; 1 - Yüzey kalitesinin 2 - İletken olmayan bir veya daha fazla safsızlıkların bulunuşunun 3 - Basıncın 4 - Temas alanının bir fonksiyonudur. Üniform bir netice alabilmek için bu faktörler kontrol edilmelidir.
Şekil 43 - Direnç kaynağının uygulanma prensibi ve devresi
182 Şekil 44’de gösterildiği gibi gaye, malzeme ve elektrotların daha düşük sıcaklıklarda kalmasını sağlarken ani olarak temas yüzeylerini yüksek sıcaklığa getirmektir. Sıcaklığını düşük tutmak ve düzenli bakımını sağlamak için elektrotlar genellikle su ile soğutulur. Kaynatılacak metaller farklı kalınlıkta veya farklı ısıl iletkenliğe sahipseler, geniş yüzeyli bir elektrot veya kalın ve direnci yüksek olan iş parçasına karşı daha yüksek iletkenliğe sahip bir elektrot kullanarak ara bölge uygun kaynak sıcaklığına getirilebilir.
Şekil 44- Bindirmeli direnç kaynağında elektrotlar ve iş parçaları arasında arzu edilen sıcaklık dağılımı
3. 4.2. 2.3- Basınç
Direnç kaynağında basınç, arayüzey temas direncini etkilediğinden kaynak dövme etkisiyle daha düşük sıcaklıklarda yapılabilir. Basıncın etki zamanı ve büyüklüğünü ayarlamak çok önemlidir. Çok düşük basınç kullanılırsa temas direnci yüksek olacağından yüzey yanar ve elektrotların delinmesine neden olur. Diğer taraftan basıncın çok yüksek olması temas yüzeyleri arasından ergimiş veya yumuşamış metalin fışkırmasına veya iş parçasının elektrotlar tarafından ezilmesine sebep olur. Uygun bir temas direnci elde etmek için, ideal olarak, kaynak akımından önce veya akımın geçişi sırasında ortalama bir basıncın uygulanması gerekir. Müteakiben ince bir tane yapısı üretmek, kaynağın dövülmesini ve soğumasını tamamlamak için uygun kaynak ısısı elde edene kadar basıncın önemli oranda arttırılması gerekir. Az sayıdaki imalatlar için pedallı, sadece tek yayla kontrol edilen basınçlı makinalar kullanılır. Çok sayıda üretimler için basınç, genellikle otomatik olarak kontrol edilen ve ayarlanan hidrolik veya pnömatik pistonlarla uygulanır.
183 3.4. 2. 2. 4- Akım Kontrolü
Yüzey şartlarını sabit tutmak ve basıncı kontrol etmek şartıyla direnç kaynağında sıcaklık, kaynak akımının büyüklük ve zamanını kontrol ederek düzenlenir. Bu amaç için yeni ve klasik kontrol üniteleri mevcuttur. Akım genellikle adım düşümlü bir transformatörden elde edilir. Küçük makinalarda akım büyüklüğü transformatörün birincil devresi ile veya ana transformatöre beslenen birincil voltajı değiştiren bir ototransformatör tarafından kontrol edilir. Büyük makinalarda bir çok metot kullanılır. Faz değiştirmeli kontrol tipinde birincil akımın büyüklüğü ve dalga şekli değiştirilir. Açısal kontrol ile akımın yaklaşık 3 - 25 çevrim aralığında maksimum büyüklüğüne yavaş yavaş yükselmesine müsaade edilir. Çok sayıda imalatta sadece akımın büyüklüğü kontrol edilmeyip aynı zamanda akım geçiş süresi, akım ve basıncın uygulanması dikkatlice programlanır. Şekil 45, dövme ve son ısıtma yapılan nokta kaynağı için çok basit bir akım ve basınç çevrimini göstermektedir.
Şekil 45- Nokta kaynağında tipik basınç ve akım çevrimi. Bu çevrim dövme ve son ısıtmayı da ihtiva eder
3. 4. 2. 2. 5- Güç Kaynakları
Direnç kaynağa için gerekli olan akımın büyüklüğü oldukça fazladır (100.000 A kadar) ve güç hatları üzerindeki yükü düşürmek için çoğu makinalarda özel devreler kullanılır. Tek fazlı devreler sadece küçük makinalarda kullanılırken büyük makinalar üç fazlı devreleri kullanırlar. Bunlardan birinde, üç fazlı güç düzeltilir ve enerji özel bir transformatörde depolanır.
184 DC akım geçişi transformatörde durdurulduğunda alanın azalması ile ikincil devrede gerekli akım geçişini sağlar. Bir çok modern direnç kaynak makinaları DC kaynak akımı verir. Bu makinalarda faz başına düşen akım azalarak dengelenmiş bir yük oluşur ve böylece mükemmel kaynak yapma imkanı sağlar.
3. 4. 2. 2. 6- Direnç Kaynağı İşlemleri 3. 4. 2. 2. 6. 1 - Nokta Kaynağı
Direnç nokta kaynağı yaygın olarak kullanılan en basit bir kaynaktır. Şekil 46’da gösterildiği gibi bu yöntemde üst üste bindirilen iş parçaları, su ile soğutulan ve karşılıklı çalışan iki elektrot arasında bastırılır ve elektrik akımının parçaların ara yüzeyinde meydana getirdiği direnç ısısı, bir kaynak bağı oluşturur. İyi bir bağ temin etmek için basınç, akım kesilinceye kadar uygulanır. Bu elektrotların uç çapları 1.5 - 12.5 mm arasındadır. Elektrotlar arasındaki basınç kaldırılarak iş parçaları çıkarılır. Oluşan kaynak bölgesi genellikle 6 - 9.5 mm çapında ve malzeme kalınlığına bağlı olarak akım 3000 - 40 000 A aralığındadır. Gerekli basınç mekanik veya pnomatik yolla sağlanarak kaynak tek veya çoklu elektrot ile yapılabilir. Beslenen güç genellikle AC akımdır ve akımın uygulama süresi alternatif akımın frekansına göre ayarlanır. Bir nokta kaynağı, temas yüzeyleri arasında şekillenmiş bir metal kitlesinden ibarettir. Elektrotlar arasındaki metalde ezilme ya hiç yoktur veya çok hafiftir. Kaynağın mukavemeti bir çekme veya yırtılma testiyle anlaşılır. Kaynağın kaliteli sayılabilmesi için bu test sonunda bağlanmış bölgenin etrafındaki ısıdan etkilenen bölgede tahribat meydana gelmemeli ve kaynak bölgesi bozulmamalıdır.
3.4.2.2.6.1.1- Profil (Kabartmalı) Nokta Kaynağı
Nokta kaynağının iki dezavantajı önemli bir problem olan elektrot bakımı ve bir kerede sadece bir noktanın kaynatılabilmesidir. Tek bir nokta ile sağlanandan daha fazla mukavemetli bağlantı gerekiyorsa bu tip noktalardan çok sayıda oluşturmak zorunludur.
185
Şekil 46 - Direnç nokta kaynağı prosesinin safhaları ve kaynak bölgesinin kesiti. Bu proses metal ve otomotiv kaporta konstrüksiyonunda kullanılan en yaygın proseslerden biridir.
Profil nokta kaynağı bu iki dezavantajı giderir ve özellikle seri imalata uygun bir proses ortaya koyar. Profil nokta kaynağının prensibi Şekil 47’de gösterilmiştir. Bu işlemde birleşme bölgesindeki elektrik direnci, yüzeyin birinde meydana getirilmiş kabartılar üzerinde elde edilir. Bu kabartılar kaynağın arzu edildiği bölgede meydana getirilmelidir. İş parçası profil kaynak makinasında düz ve su ile soğutulan bakır esaslı elektrotlar arasına yerleştirilir. Nokta kaynağında olduğu gibi basınç ve akım birlikte uygulanır. İş ve elektrot arasındaki temas alanı büyük olduğu için devrenin bütün direnci düz yüzeyli parça ile profillerin temas noktasında meydana gelir ve böylece kaynağın istendiği bu noktada bölgesel yüksek sıcaklıklar oluşur. Bu yüksek ısı nedeniyle metal plastik hale geldiğinden uygulanan basınç profilleri düzleştirir ve kaynak bağı oluşarak iş parçaları kuvvetlice birbirine bağlanır. Elektrotlar arasında çok sayıda profiller meydana getirerek çok noktalı kaynak yapılabilir. Ancak kullanılan kaynak makinasının gerekli akım ve basınç kapasitesi ile nokta sayısı sınırlıdır. Diğer bir önemli avantajı dizayn amacına uygun ve arzu edilen şekilde kaynak bağı oluşturacak çıkıntıların yuvarlak, oval veya dairesel gibi herhangi bir şekilde yapılmasına uygun olmasıdır.
186
Şekil 47 - Kabartma nokta kaynağının prensibi. Akım kabartılarda yoğunlaştırılarak prosesin bir stroku ile çok sayıda kaynak yapılabilir. Şekilde gösterildiği gibi farklı kalınlıktaki iki metalin kaynağı için de uygundur.
Bu proses ilave bir maliyet artışı getirmesine rağmen kaynak makinasının bir strokunda çok kaynak noktası oluşturma, daha uzun elektrot ömrü ve farklı kalınlıklardaki metallerin kaynatılması gibi avantajlara da sahiptir. Bir çok nokta kaynak makinası elektrotları değiştirilmek suretiyle profil kaynak makinasına dönüştürülebilir. Kabartılı profiller iş parçası üzerine preste şekillendirilir. Kaynak her profilin merkezinden dışına doğru oluşacak şekilde ayarlanmalıdır. Civata ve somunlar diğer metal parçalarıyla profil kaynağı yardımıyla birleştirilebilir. Böyle civata ve somunlar üzerinde çıkıntılar mevcut olarak kaynak için hazır şekilde bulunur. 3. 4. 2. 2. 6. 1. 2- Nokta Kaynak Makinaları
Nokta kaynak makinalarının birçok tipi mevcuttur. Kompleks akım - basınç çevrimi gerektirmeyen hafif imalatlar için basit esnek kollu tipi yaygın olarak kullanılır. Bu makinalarda alttaki elektrot kolu sabit dururken bir muylu üzerine monte edilmiş üst elektrot bir yayla yüklenen ayak pedalı vasıtasıyla iş parçasına temas ettirilmek üzere aşağı indirilir. Büyük makinalarda veya büyük hacimli işler için kullanılan makinalarda bu hareket bir hava silindiri veya bir elektrik motoru ile sağlanır. Bu tip makinalar 1220 mm’ye kadar kurs aralığı ve 50 kVa’ya kadar transformatör kapasitesine sahiptirler. Bunlar öncelikle çeliklerin kaynağı için kullanılırlar. Büyük üretimler için kullanılan çoğu büyük kaynak makinaları pres tipindedirler. Bu tiplerde hareket edebilen elektrot bir hava veya hidrolik bir silindirle sağlanan doğrusal bir harekete sahiptir. Böyle makinalar arzu edilirse herhangi bir basınç kontrollü tipe adapte edilebilirler. 500 kVa’ya kadar kapasite ve 1525 mm kurs aralığında olanlar yaygındırlar. Bu tipin özel amaçlı olanları (çoklu kaynak kafası olanlar) seri üretimde yaygın olarak kullanılırlar. Bazıları 60 s’de 200 nokta kaynağı yapabilirler. Nokta kaynağı uygulaması, taşınabilir nokta kaynağı tabancalarının kullanılmasıyla yaygın olarak gerçekleştirilir. Her bir tabanca, güç kaynağına
187 ve kontrol ünitesine esnek hava hortumu ve elektrik kabloları ile ve gerektiğinde soğutma için su hortumlarına bağlanır. Böyle ekipmanlar büyük iş parçalarına kolaylıkla yaklaştırılır ve böylece bir kaynak makinasına çok büyük bir iş parçasının taşınması sözkonusu olmadan kaynak yapma imkanı artar. Seyyar kaynak tabancaları, genellikle, bir operatöre ihtiyaç duymaksızın tabanca pozisyonunu arzu edilen şekilde (üç boyutlu) programlayabilen ve otomatik olarak nokta kaynağı üretebilen endüstriyel robotlar üzerine bağlanırlar. 3.4.2.2. 6.1.3- Nokta Kaynağı Yapılabilir Metaller
Nokta kaynağının önemli avantajlarından biri bütün ticari metallere uygulanabilmesi ve farklı cins metalleri kaynak edebilmesidir. Kaynak, nadiren kırılgan olabilir. Tablo 8, nokta kaynağı yapılabilecek metallerin kombinasyonunu vermektedir. Nokta kaynağı genellikle saclar üzerine yapılmasına rağmen diğer formdaki metallerde nokta kaynağı yapılabilir. Haddelenmiş sacların nokta kaynağına uygun olmaları yanında çelik döküm ve bazı kokil dökümler zorluk olmaksızın kaynak edilebilir. Alüminyum hariç çoğu metaller özel hazırlık gerektirmezler.
Ancak
yüzey
temizliği
yapılmalıdır.
Alüminyum
ve
mağnezyum
alaşımlarında iyi netice alabilmek için kaynaktan önce mekanik veya kimyasal temizleme yapılmalıdır. Yüksek elektrik iletkenliğe sahip metaller, metalde oluşturulacak uygun sıcaklık ve metal elektrot direncinin yeterli düşüklükte olmasından emin olmak için temiz yüzeyler gerektirirler. Gümüş ve bakır, elektrik iletkenliklerinin yüksek olmasından dolayı zor kaynak edilir. Fakat birçok bakır alaşımları halen kaynak edilebilmektedir. Kaynak bölgesine bitişik su soğutma sistemi, bu tür metallerin sadece arzu edilen alanında uygun bir kaynak sıcaklığı elde etmek için kullanılabilir. İki parçanın aynı kalınlıkta olduğu durumlarda normal prosesle nokta kaynağı yapılabilecek pratik kalınlık sınırı 3.2 mm’dir. Fakat ince bir parça 3.2 mm den daha kalın diğer bir parçaya kolayca kaynak edilebilir. 12.5 mm kalınlıktaki iki çelik plakanın nokta kaynağı, perçinleme sağlamlığında yapılabilmektedir. 3. 4.2. 2. 6. 2- Direnç Dikiş Kaynağı
Bu yöntem nokta kaynağının değişik bir metodudur ve farklı olarak dönen disk veya merdane şeklindeki elektrotlar kullanılır. Şekil 48’de gösterildiği gibi elektrotların şekli hariç ekipman, nokta kaynağı için kullanılanın aynısıdır. Dikiş bir seri nokta kaynaklarından oluşur. Hadde tipi nokta kaynak prosesinde iş parçası elektrotlar arasından geçerken akım bindirme ve eliptik formdaki palslarla uygulanır.
188 Tablo 8-Nokta kaynağı olabilen metal kombinasyonları
Akım yeterli seviyeye ulaştığı zaman merdaneler bir nokta kaynağı yapar. Bu nokta kaynaklarının sürekli olması parçaların sıvı ve gaz sızdırmaz şekilde birleşmesini sağlar. İş parçaları ısınmasın diye kaynak zamanı ve iş parçasının hızı ayarlanmalıdır. Genellikle iş parçası dışarıdan su veya hava ile soğutulur. Akımın merdanelere aralıklı uygulanması halinde bir seri nokta kaynağı yapılabilir. Dönen elektrotlara sürekli akım uygulanarak aynı ekipmanla sürekli dikiş kaynağı yapmak mümkündür(Şekil 49). Kaynak hızı merdanelerin kalınlık ve cinsine bağlıdır. Bu tip dikiş kaynağı, gaz tankları, otomobil egzoz susturucuları veya ısı eşanjörleri gibi sıvı ve gaz sızdırmaz kapların imalinde kullanılır. Ayrıca içecek ve mutfak eşyaları imalinde de kullanılmaktadır. İkinci tip direnç dikiş kaynağı metal plakalar arasında alın kaynağı yapmak için yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu proseste elektrik direnci, karşı karşıya getirilen metaller arasında meydana getirilir. Fakat birleştirilecek yüzeylere yakın bölgelerdeki ısıyı azaltmak için 450 kHz kadar yüksek frekanslı akım uygulanır. (Değişik bir metotta ısıtma için yüksek frekanslı indüksiyon akımı kullanılır).
189
Şekil 48 - Dikiş kaynağı prensibinin şematik gösterimi ve bir tank kenarına uygulanması
Şekil 49- Akışkan taşıyan bir tankın çepeçevre dikiş kaynağı ile kaynatılması
Parçalar kaynak sıcaklığına ulaştığı zaman ısınmış yüzeyler basınç merdaneleri arasından geçirilerek birbirine bastırılır. Bu metodun en geniş kullanım alanı dikişli boru yapımıdır. Fakat düz lamalardan yapılan yapısal şekillerin imalatında da kullanılmaktadır. 0.13 mm’den 19 mm ve daha kalın malzemeler 82 m / dak. gibi yüksek hızlarda kaynatılabilmektedir. Yüksek frekanslı akım ve yüksek kaynak hızlarının bir arada kullanılması ısıdan etkilenen bölgenin çok dar olmasını sağlar. Farklı cins metaller dahil hemen hemen her cins metal, bu yöntemle kaynatılabilir. Proses özellikle alüminyum ve bakır gibi yüksek iletkenliğe sahip metaller için caziptir.
190 3. 4. 2. 2. 7- Direnç Kaynağının Avantaj ve Dezavantajları
Direnç kaynağı, özellikle seri imalatta kullanımı için çok sayıda avantajlara sahiptir. 1 - Çok hızlıdır 2 - Kullanılan makinalar yarı veya tam otomatiktir 3 - Doldurma metali gerektirmediğinden malzeme tasarrufu sağlar 4 - Kalifiye operatör gerektirmez 5 - Farklı cins metaller kolayca birleştirilebilir 6 - Yüksek derecede emniyet ve tekrar üretilebilirlik mümkündür. Şüphesiz direnç kaynağının bazı dezavantajları da vardır. Bunların başlıcaları şunlardır: 1 - İlk yatırım masrafları fazladır 2 - Kontrol ekipmanlarının bakımı için usta personel gerektirir 3 - Bazı malzemelerin yüzeyleri kaynaktan önce özel hazırlama işlemleri gerektirebilir. Direnç kaynağı en yaygın kullanılan birleştirme metotlarından biridir. Fakat hızlı ısı girişi, kısa kaynak zamanı ve elektrotla iş parçasının hızlı soğuması yüzünden, nokta ve dikiş kaynağında soğuma hızları oldukça yüksektir. % 0.15 C’dan daha fazla karbon ihtiva eden çeliklerde martenzit oluşur ve bu durumda kaynağı temperlemek için genellikle son tavlamaya ihtiyaç duyulur. 3. 4.3- Optik Enerji Kullanan Kaynak Metotları 3.4. 3. 1 - Elektron Işın Kaynağı
Elektron ışın kaynağı, kaynatılacak metal üzerine dar bir ışın hüzmesindeki yüksek hızlı elektronların şiddetle düşürülmesi ile oluşan ısıdan faydalanılarak yapılan bir ergitme kaynağıdır. Elektronların kinetik enerjisi, iş parçasına çarpmaları ile ısıya dönüşür. Esas olarak reaktif ve refrakter metalleri aşırı saflıkta kaynatabilmek için geliştirilmiş olan bu proses çok çeşitli uygulamalar için eşsiz kalitede kaynak dikişi verir. Proses, ışının iş parçasına odaklanması için özel cihazlara ihtiyaç gösterir. Kullanılan elektron optik sistemi Şekil 50’de gösterilmiştir. İşlem atmosferde de yapılabilmesine rağmen yüksek vakum ortamı çok kullanılır.
191
Şekil 50 - Elektron ışın sisteminin şematiği. Bu prosesle yüksek kaliteli derin ve dar dikişler elde edilebilir.
Üretilen elektronlar çok yüksek bir vakum ortamında odaklanmalıdır. Genellikle kaynak 0.13 - 133 MPa basınçta gerçekleştirilir. Fakat proses 0.13 - 13 Pa aralığındaki bir basınçta, hatta atmosferik basınçta da uygulanabilir. Ancak ısının nüfuziyeti ve derinlik / genişlik oranı basıncın artmasıyla azalır. Yüksek hızlı elektronlar yayması için tungsten flament, yüksek bir AC voltaj ile yaklaşık 2200 oC’ye ısıtılır. Bir kontrol filtresi hızlandırma anodu ve odaklama sargıları vasıtasıyla elektronlar yoğunlaştırılmış bir ışına dönüştürülür ve 0.8 - 3.2 mm çapında bir nokta olarak iş parçası üzerine odaklanır. İş parçaları vakum odasında elektron tabancası altına yerleştirilir ve hareket ettirilir. Bu şartlar altında, vakum ergimiş kaynak metalinin gazını alır ve kirlenmesini önler. Böylece çok yüksek kaliteli kaynaklar elde edilir. Fakat gerekli vakum odasının boyutları, tabii olarak, yerleştirilecek iş parçası boyutları için ciddi sınırlamalar getirir. Çözüm olarak, iş parçasının vakum odası dışında kalmasına müsaade edecek şekilde elektron ışın kaynak makinaları geliştirilmiştir. Bu makinalarda elektron ışını, vakum odası içindeki küçük bir orifis içinden geçerek iş parçasına çarpar. Orifiste meydana gelebilecek sızıntıları yüksek güçlü vakum pompaları giderir. Bu makinalar, iş parçasının tümünü içine alan makinaların bazı avantajlarına sahip olmalarına rağmen yüksek nüfuziyet gücüne sahip değildirler (düşük basınçta çalışamazlar). Bundan dolayı genişliği fazla olan dikişler meydana getirirler. Elektron ışın kaynağında genelde iki kademeli voltaj kullanılır. Yüksek voltaj ekipmanları 50- 100 kV uygular ve düşük voltaj tiplerinden (10-30 kV) daha küçük nokta boyutu ve derin nüfuziyet sağlarlar. Fakat yüksek voltaj üniteleri yüksek elektron hızlarıyla önemli oranda zararlı olan X - ışını yayarlar ve böylece pahalı korunma ve işi gözleme için indirek gözleme sistemi gerektirirler. Düşük voltaj
192 tiplerinde üretilen X - ışını, vakum odasının duvarları tarafından absorbe edilecek şekilde yeterli yumuşaklıktadır. Bunların ayarlanması kolaydır ve iş parçası, gözleme deliklerinden direk olarak gözlenebilir. Elektron ışın kaynağı, ısıdan etkilenen dar bölgeler ile derin ve mükemmel kalitede kaynak yapma imkanı sağlar. Diğer proseslerle kaynatılması zor olan zirkonyum, berilyum ve tungsten gibi malzemeler elektron ışın kaynağıyla başarılı bir şekilde kaynatılabilir. Fakat kaynak pozisyonu mümkün olduğunca basit ve düz olmalıdır. 200 mm / s gibi yüksek bir kaynak hızında iyi bir şekilde parametrelerin kontrolü yapılabilir. Genellikle koruyucu gaz veya kaynak dolgu metali gerektirmez. Şekil 51’de gösterildiği gibi derin nüfuziyet yanında çok dar kaynak dikişleri elde edilebilir. Yüksek güç ve ısı yoğunluğu 30 / 1 derinlik - genişlik oranında bir ergime bölgesini, düşük ısı girişi, minimum çarpılma ve çok dar ısıdan etkilenen bölge oluşturarak meydana getirebilir. Fakat aşırı derinlik - genişlik oranı nedeniyle eksen boyunca çatlamalar oluşabilir. Bu duruma, kaynak parametrelerinin tam olarak kontrolü ile mani olmak mümkündür. Isıya duyarlı malzemeler ana metale zarar vermeksizin kaynatılabilir. Genelde ön veya son ısıtma gerektirmez fakat ekipman oldukça pahalıdır ve büyük hazırlık gerektirir. Ayrıca vakum odası, yukarıda da bahsedildiği gibi üretim hızını ve kaynatılacak parça boyutunu sınırlar.
Şekil 51- Gaz - Tungsten ark ve elektron ışın kaynağı dikişlerinin mukayesesi Görüldüğü gibi boyutlar arasında büyük fark vardır.
Proses aşırı yüksek kalitede kaynak gerektiren veya arzu edilen neticeye diğer proseslerle ulaşılamayan yerlerde en iyi şekilde kullanılabilir. Bu bakımdan özellikle otomotiv ve havacılık endüstrisinde rutin olarak kullanılmaktadır. 3. 4. 3. 2 - Lazer Işın Kaynağı
LASER kelimesi, hızlandırılmış radyasyon yayınımı ile ışık yükseltme anlamına gelen “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” kelimelerinin baş harflerinden meydana
gelmiştir. Lazer kaynağında ısı kaynağı olarak odaklanmış yüksek güçlü koherent
193 monokromatik ışık ışını kullanılır. Bu ışın 10 kW / cm2 ’lik güç şiddeti ve 0.1 - 10 Joule’lük düşük ısı girişi sağlar. Işın, derin nüfuziyet gücüne sahip, yönlendirilebilir, şekillendirilebilir ve tam olarak odaklanabilir bir ışındır. Özellikle dar ve derin birleştirmeler için uygundur. Yüksek şiddetli ışın, ana metal içinde, çok ince bir kolon şeklinde metal buharı meydana getirir. Bu metal buharı kolonu 4 / 1’den daha büyük derinlik - genişlik oranına sahip kaynak meydana getirerek, oluşan kaynak boyunca ilerleyen bir sıvı banyosu tarafından sarılır. Lazer ışın kaynağı, basit ergitme kaynakları için ilave metal kullanmaksızın (ilave metal de kullanılabilir) çok etkilidir. Bu proses farklı kalınlıklardaki değişik metaller için iyi bir kaynak kalitesi ile başarılı bir şekilde kullanılır. Lazerle üretilen derin nüfuziyetli kaynaklar elektron ışın kaynağındakine benzer fakat daha fazla avantajlara sahiptir. Havadan geçmesi ve bir vakum ortamına ihtiyaç göstermemesi bu yöntemin büyük bir avantajıdır. Bu avantajlar şöyle sıralanabilir: 1- Bir vakum ortamına ihtiyaç duymaz 2 - X - ışını üretilmez 3 - Lazer ışını kolayca elde edilir ve yansıtıcılarla kolayca gönderilir 4- Sadece bir ışık ışını olduğundan kaynak ekipmanı ve iş parçası arasında fiziksel bir temas yoktur ve ışın geçirgen malzemeler içinden geçerek iç kısımlarda yapılacak kaynağa müsaade eder. Lazer ışınları yoğunlaştırıldığından, lazer kaynakları küçük ve genellikle 0.025 mm’den dardır. Böylece bu proses elektronik endüstrisinde kablo tellerini küçük elektronik parçalara bağlama ve devreleri birleştirmede çok faydalıdır. Bindirme, alın ve T konfigürasyonları kullanılır. İzolasyonunu soymadan poliüretanlı kablo tellerini kaynatmak mümkündür. Lazer izolasyonu buharlaştırır ve kaynağı tamamlar. Elektron ışın kaynağındakine benzer şekilde derinlik - genişlik oranı genişletilebilir. Eksenel çatlaklar bu yöntemde de oluşabilir. Lazer ışın kaynağı için gerekli ekipmanın maliyeti yüksektir. Fakat genellikle otomasyona uygundur ve yarı kalifiye işçilerin kullanması için dizayn edilir. Şekil 52’de basit bir lazer sistemi gösterilmiştir. Kaynaktan önce, birleşecek bölgeler muntazam bir şekilde kaynak için uygun hale getirilmelidir. Endüstriyel anlamda en uygun lazerler, CO2 lazerleridir. Genelde çok verimli değildirler ve çok güç harcarlar. Ayrıca yansıyan veya saçılan lazer ışınları kaynak alanından çok uzak olunsa bile insan gözü için tehlikelidir ve bu bakımdan gözler mutlaka korunmalıdır.
194
Şekil 52-Bir lazer sisteminin şematik gösterilimi. Bu sistemin avantajlarından biri, elektron ışın kaynağında olduğu gibi bir vakum ortamına ihtiyaç göstermemesidir.
4 –SIVI- KATI FAZDA BİRLEŞTİRME 4.1- Giriş
Kaynağın iyi çözüm getirmediği yerlerde birçok birleştirme ve bağlama işlemleri vardır. Bazı durumlarda kaynağın yüksek ısısı problem olabilir veya malzeme kötü kaynak kabiliyetine sahiptir. Ayrıca daha ekonomik alternatif metotlar olabilir. Böyle durumlarda düşük sıcaklıkta birleştirme metotları kullanılabilir. Kapiler birleştirme olarak da bilinen bu proseslerde birleştirilecek iki yüzey arasındaki bağ bir doldurma metali kullanarak sağlanabilir. Bu esasa göre gerçekleştirilen iki temel işlem sert ve yumuşak lehimlemedir. Bu proseslerde düşük ergime dereceli metaller ergitilir, kapiler etkiyle iki katı yüzey arasındaki boşluğa emilir ve katılaşmasına müsaade edilir.
4. 2- Sert Lehimleme (Pirinç Kaynağı)
Sert lehimleme, ergime sıcaklığı 450 °C’nin üzerinde fakat birleşecek metallerinkinin altında olan bir doldurma metali ve ısı kullanarak metallerin birleştirme işlemidir. Sert lehimlemeyi yumuşak lehimlemeden ayıran en önemli fark sıcaklıktır.
195 Aşağıdaki noktalar ile de kaynaktan farklılık gösterir. 1 - Lehim malzemesinin bileşimi ana metalden tamamen farklıdır. 2- Lehim alaşımının mukavemeti ana metalden oldukça düşüktür. 3 - Lehimleme alaşımının ergime noktası ana metalden daha düşüktür. 4 - Birleşme kapiler etkiyle gerçekleşir. Bu farklılıklar sebebiyle sert lehimleme birçok avantajlara sahiptir. 1 - Bütün metaller uygun lehimleme metaliyle birleştirilebilir. Proses, demir olmayan metallerin demir cinsi metallerle veya ergime derecesi oldukça farklı metallerin birleştirilmesi için oldukça uygundur. 2 - Kaynağa göre daha düşük ısı gerektirdiğinden proses hızlı ve ekonomik olarak uygulanabilir. 3-
Düşük sıcaklık nedeniyle ısı etkisinde kalan bölgede meydana gelen problemler ile
çarpılmalar azdır. Bu bakımdan daha ince ve karmaşık parçalar başarılı olarak birleştirilebilir. 4-
Sert lehimleme otomasyona çok uygundur ve seri imalat söz konusu olduğu zaman iyi
netice verir. Kuvvetli ve çözülmez bir bağlantı oluşturur. Lehimli bağlantıların en önemli dezavantajı ise bağlantıların herhangi bir sebeple ısınması sonucu bölgenin yumuşaması ve birleşmenin tahrip olma ihtimalidir. Bisiklet ve motosiklet gibi vasıtaların lehimleme ile tamir edilen kısımlarında bu duruma sıkça rastlanır. Bu tür sonuçlar lehimlemenin kabahati değildir. Fakat istenmeyen sonuçlara sebep olabilir. Netice olarak bu tür problemlerin meydana gelebileceği parçalarda lehimleme kullanılacaksa kullanıcı uyarılmalıdır.
Sert lehimlemede birleşme bölgesindeki lehim malzemesini ergitmek için sıcaklık yükseltilir. Soğumadan sonra elde edilen mukavemet iş parçası ve doldurma yüzeyi arasındaki adhezyona bağlıdır. Sıvı hal kaynak prosesine benzemez. Çünkü kaynakta hem dolgu metali ve hem de birleşecek parçalar ergidiği halde, lehimlemede sadece lehim malzemesi ergiyerek boşluğu doldurur. Pirinç kaynağında (sert lehimleme) birleştirilecek parçalar kaynaktaki gibi hazırlanır (Şekil 53). Sert lehimlemede birleşme bölgesi ya küçük boşluğa sahiptir veya boşluk yoktur. Maksimum mukavemette bir bağ elde etmek için birleşecek yüzeylerin temiz ve kirlilikten arınması gerekir. Boşluklar çok küçük bir toleransta olmalıdır. Isı kaynağı genellikle oksi asetilen alevidir.
196 4. 2. 1- Lehim Malzemeleri
En çok kullanılan lehim malzemeleri bakır ve bakır alaşımları, gümüş ve gümüş alaşımları ve alüminyum alaşımlardır. Tablo 9, en çok kullanılan lehim malzemelerinin bazılarını ve kullanma yerlerini listelemektedir. Bakır genellikle çeliklerin, yüksek hız çeliği ve tungsten karbür gibi yüksek ergime noktalı diğer alaşımların lehimlenmesinde kullanılır. Bakırın kullanımı koruyucu bir hidrojen atmosferi ve fırında yapılan lehimleme hariç hemen hemen sınırlıdır. Fırında yapılan lehimlemede bakır iyi akıcılık gösterir ve temizleme tozu gerektirmez. Bakırla lehimleme düşük karbonlu çeliklerin puntalanması, vida işleme takımları ve seri imalatla yapılan tüplerin montajında yaygın olarak kullanılır. Özel amaçlar için özel alaşım şeklinde çeşitli lehimleme malzemeleri kullanılır. Doldurma metali seçiminde, sıvı metalin tane sınırı nüfuziyeti ile birleşmenin gevrekleşmesini önlemeye dikkat edilmelidir. Metaller arası gevrek bileşikler ve galvanik korozyona sebep olacak kutuplaşma olabilir. Bu durumda ilgili faz diyagramı üzerinde çalışmanın faydalı olacağı anlaşılır. Doldurma metalleri tel, şerit, halka ve doldurma macunu şeklinde bulunabilir. Bakır alaşımları en eski lehimleme malzemesidir. Bugün bakır - çinko alaşımları, çelik, dökme demir ve bakırın lehimlenmesinde yaygın olarak kullanılır. Bakır- fosfor alaşımları, fosforun bakır oksit filmini azaltması nedeniyle bakırın tozsuz lehimlenmesi için faydalıdır. Manganez bronzları da lehimleme amacıyla kullanılır. Saf gümüş, titanyumun lehimlenmesinde kullanılır. Gümüş lehimleri (yumuşak , gümüş - bakır- çinko alaşımları) çelik, bakır, pirinç ve nikelin birleştirilmesinde kullanılır. Bu lehim alaşımları pahalı olmasına rağmen, az bir miktar gerektiren yerlerde birleşme başına maliyet düşüktür. Gümüş alaşımları paslanmaz çeliklerin lehimlenmesinde de kullanılır. Fakat lehimleme sıcaklığı karbür çökelme aralığında olduğundan sadece stabilize olmuş veya düşük karbonlu paslanmaz çeliklerde sürekli korozyon direnci arzu edilirse bu alaşımlarla lehimlenmesi gerekir. % 6-12 silikon ihtiva eden alüminyum - silisyum alaşımları, alüminyum ve alüminyum alaşımlarının lehimlenmesi için kullanılır.
197
Şekil 53- Sert lehimleme örnekleri a ) İki parçanın lehimlenmesi. Burada tel şeklindeki doldurma metali ergir ve yüzey gerilim etkisiyle iki parça arasına girer. b) Tungsten karbür ucun lehimleme ile birleştirilmesi. Beton, tuğla ve bunlar gibi sert, gevrek ve aşındırıcı malzemelerin delinmesinde kullanılan sert maden uçların matkap sapına birleştirilmesi bu yöntemle yapılır.
Esas metalle büyük oranda farklılık göstermeyen bir lehim malzemesi kullanarak galvanik korozyon ihtimali azaltılır. Fakat bu lehimleme malzemelerinin ergime sıcaklıkları yaklaşık 610 °C olduğu için sıcaklığın kontrolü oldukça kritiktir. Alüminyumun lehimlenmesinde lehim metalinin kolay akışını sağlamak ve ana metalin tahribatından sakınmak için uygun toz, yüzey temizleme ve / veya kontrol edilen bir atmosfer veya vakum ortamları kullanılmalıdır. Lehimleme ile alüminyumun birleştirilmesinde uygulanan genel bir yol, toplam levha kalınlığının yaklaşık % 10’u kadar bir kalınlıkta, bir veya iki yüzeyi de lehimleme alaşımı ile kaplanmış levhalar kullanmaktır. Bu lehimleme levhalarıyla birleştirmeler ısıtmayı takiben birleşme bölgesini uygun bir toz ile örterek yapılır. Bir nikel - krom - demir - bor lehimleme alaşımı, yüksek sıcaklıklarda kullanılacak ısıya dayanıklı alaşımları lehimlemek için yaygın olarak kullanılır. Çalışma sıcaklığının lehim alaşımının ergime noktasının üzerinde olmasına rağmen bor lehim malzemesinden esas malzemeye difüze olur ve lehim malzemesinin ergime noktasını çalışma sıcaklığı üzerine yükseltir. Dökme demir grafit ihtiva etmesi sebebiyle kolaylıkla terlemez. Neticede, lehimlenmeden önce dökme demir grafiti dağlanarak giderilmelidir.
198 Tablo 9 - Yaygın alarak kullanılan lehim metalleri ve kullanma yerleri
199 4.2.1.2 - Tozlar
Tozlar lehimlemede çok önemli bir eleman olup aşağıdaki görevleri yerine getirir: 1 - Isınmadan önce yüzeyde bulunabilen oksitleri çözer 2 - Isıtma sırasında oksitlerin oluşmasını önler 3 - Ergimiş lehim metalinin yüzey gerilimini düşürür ve böylece ergimiş lehimin birleşme aralığına girmesini sağlar Lehim birleşmelerinin kalite ve düzgünlüğünü etkileyen önemli faktörlerden biri temizliktir. Bu amaçla sert lehimlemede tozların kullanılması esastır. Tozlar az miktarda oksit çözmelerine rağmen oksit temizleyici değildirler. Toz uygulanmadan önce kir, özellikle yağ, lehimlenecek yüzeylerden giderilmelidir. Boraks yaygın olarak kullanılan bir lehimleme tozudur. Normal boraks içindeki nem, toz ısıtıldığında hava kabarcığına sebep olduğundan ergimiş boraks kullanılmalıdır. Ayrıca ergimiş doldurma metalinin ıslatma özelliğini arttırmak için nemlendiriliciler ilave edilir. Bu amaçla ergimiş boraksa pasta şeklinde alkol karıştırılabilir. Borakstan daha düşük ergime noktasına sahip ve oksitleri gidermede daha etkili birçok modern tozlar mevcuttur. Tozlar ana metale uygun olarak seçilmelidir. Pasta şeklindeki tozlar daha ziyade fırın, indüksiyon ve daldırma lehimleme için kullanılır. Pasta veya granül şeklindeki tozlar torkla lehimlemede kullanılır. Fırında, indüksiyonda ve daldırma lehimlemede toz yüzey üzerine sürülür. Torkla lehimlemede toz içine lehim malzemesinin ısıtılmış ucu batırılarak kullanılır. Alüminyum için tozlar genellikle metalik kaya tuzu karışımıdır. Temel olarak tozun % 15–85’ini sodyum ve potasyum kloritleri oluşturur. Floritler veya lityum bileşikleri gibi aktivatörler ilave edilir. Bu tozlar alüminyum üzerindeki yüzey oksitlerini çözmez. Çoğu lehimleme tozları koroziftir ve artıkları lehimleme tamamlandıktan sonra iş üzerinden kaldırılmalıdır. Bu hal özellikle alüminyumlarda önemlidir. Daha sonra değinileceği gibi alüminyumun lehimlenmesi için tozlama yöntemlerini geliştirmeye büyük gayretler sarf edilmektedir.
200
4. 2. 1. 3- Sert Lehimlemenin Uygulanması
Lehim malzemesi birleştirilecek bölgelere üç değişik yöntemle ergitilerek uygulanır. En eski ve yaygın kullanılan metot torcla lehimlemedir ve lehim malzemesi tel veya çubuk şeklindedir. Torcla lehimlemede genellikle oksi - asetilen alevi kullanılır. Ana metal ve lehimleme teli torcla yeterli sıcaklığa ısıtılır. Bu durumda sadece lehimleme metali ergiyerek birleşme bölgesine damlar. Damlayan sıvı lehim malzemesi kapiler etkiyle birleşecek parçaların ara yüzeyine akarak bölgeyi doldurur. Ana metalin ısıtılmasındaki esas gaye lehim malzemesini ergitmek, ergiyik halde kalmasını ve birleşme bölgesine rahatça akmasını sağlamak olmasına rağmen, gerçek ergitme torc ile yapılır. Önemli derecede iş gücü gerektiren bu metotta uygulama dışardan yapıldığından lehim malzemesinin ara yüzeye tamamen girmesi için yoğun dikkat gerektirir. Bu amaçla lehim malzemesi, ısıtmadan önce birleşme bölgesine tel veya levha şeklinde konmalıdır. Konstrüksiyonun uygun olduğu yerlerde, Şekil 54’te gösterildiği gibi parçalar montaj edilmeden önce lehim malzemesi birleşme bölgesindeki boşluklara halka veya levha şeklinde yerleştirilebilir. Bu yol izlendiği zaman düzenli montaj için genellikle parçalar bir işkence, perçin, yapıştırma veya punta kaynağı ile tutturulmalıdır. Bu gibi ön yüklemeli bağlantılarda temasla birlikte diğer yüzeyin kapiler etkisiyle doldurma metalinin birleşecek yüzeylerden uzaklaştırılmamasına dikkat edilmelidir. Kapiler etki, birleşme bölgesi olsun veya olmasın en küçük aralığa ergimiş lehim malzemesini daima çekecektir. Ayrıca birleşecek parçalar arasında gerekli boşluğun bulunmaması veya sıkışmış havanın kaçması için tedbir alınmamış olması doldurma metalinin araya sızmamasına sebep olur. Hatta birleşme bölgesindeki boşluk veya kanallar, lehim metalini saklar şekilde davranabilir. Özellikle kompleks montajlar söz konusu olduğu zaman parçaları düzenli bir şekilde tutmak için özel sıkıştırma elemanları kullanılır. Bu parçalar genellikle genleşmeyi önleyen yaylar ihtiva ederler (özellikle farklı cins metaller birleştirilecekse).
201
Şekil 54- Birleşme bölgesine düzenli bir şekilde akmasını sağlamak için levha veya tel şeklindeki lehim malzemesinin uygulanma yöntemine örnekler.
4. 2. 1. 4- Lehimlemede Kullanılan Isıtma Metotları
Sert lehimleme için genel bir ısı kaynağı bir gaz alev torcudur. Bu torcla lehimleme yönteminde oksi - asetilen, oksi-hidrojen veya diğer gaz alevleri kullanılır. Çoğu tamir lehimlemeleri esnekliği ve basitliği nedeniyle bu yolla yapılır. Bu yöntemin önemli dezavantajı üniform ısıtma sağlamada ve düzgün sıcaklık kontrolündeki zorluklarla, kalifiye iş gücü gerektirmesidir. Torcla lehimlemede, ısıtmayı hızlandırmak ve gerekli ustalığı azaltmak için özel şekilli torclar kullanılır. Büyük miktarda lehimleme, kontrollü atmosfer veya vakum fırınlarında yapılır. Özellikle küçük parçalar için yüksek hızda üretim yapabilen sürekli tip fırınlar kullanılır. Bu tür fırında lehimlemede lehim metali iş parçası içine bastırılmalıdır. Eğer iş parçası ön montaj halinde ve parçaları düzenli olarak uygun bir basınçla tutacak şekilde değilse, lehimleme bağlantı elemanları kullanılmalıdır. Lehimlenecek montajlar genellikle bu tür tutturma elemanları gerektirmeyecek şekilde dizayn edilebilir. Daha ziyade hafif bir basınç yeterli olur. Lehimleme sıcaklığı çok iyi bir şekilde kontrol edilebildiği ve kalifiye iş gücü gerektirmediği için fırında lehimleme özellikle seri üretim için daha uygundur. Ya kutu şeklinde veya sürekli tip fırınlar kullanılabilir. Sürekli fırınlar seri şekilde imal edilecek işler için daha uygundur. Fırında
lehimlemede
parçalar
tamamen
ısındığından
kompleks
şekilli
parçaların
lehimlenmesinde avantajlara sahiptir. Eğer fırın atmosferi oksit filmini azaltabilirse, toz gerekmeyebilir. Reaktif metaller daha ziyade bir vakumlu fırında lehimlenir. Kuvvetli bindirme veya alın birleştirmeler için fırında difüzyon ile birleştirme yapılır. Burada sıcaklık
202 ve zamanın düzgün olarak kontrol edilmesiyle iş parçalarına lehim difüze olur (1/2 - 24 saat zaman aralığında). Lehim ergimiş bir tuz veya metal banyosunda yapılabilir. Tuz banyosunda lehimlemede, parçalar, sıcaklığı sürekli olarak lehim metalinin ergime sıcaklığının hemen üzerinde tutulan ergimiş bir tuz banyosuna daldırılarak ısıtılır. Bu metot üç önemli avantaja sahiptir. 1 - İş parçası ısıtma ortamıyla sürekli temasta olduğu için çok hızlı ısınır. 2 - Tuz banyosu oksidasyonu önlemek için bir koruyucu ortam olarak davranır. 3 - Tuz banyosunun sıcaklığı esas metalin ergime noktasının altında olduğu için, aşırı ısıtma tehlikesi olmaksızın ince parçalar daha kalın parçalara kolayca birleştirilebilir. Bu son madde prosesin alüminyumun lehimlenmesi için çok uygun olduğunu gösterir. Parçaların bir bağlayıcı elemanla (veya önceden herhangi bir şekilde bağlanmış olmaları gerekir) tutturulmaları ve lehimleme metalinin iş parçasına yerleştirilmiş olması esastır. Banyonun arzu edilen sıcaklıkta kalmasını sağlamak için lehimlenecek parçaların miktarı ve ağırlığına bağlı olarak banyo hacminin büyük olması gerekir. Daldırma lehimlemede parçalar ergimiş lehim metali banyosuna bağlanır. Banyo hem gerekli ısıyı, hem de bağlantı için lehim malzemesini sağlar.Genellikle lehim metali, daldırılmış parçanın her tarafını kaplayacağından gereksiz lehim malzemesi sarfına sebep olur. Bu yüzden teller gibi sadece küçük parçalar bu yöntemle lehimlenir. İndüksiyonla lehimlemede ısıtma için yüksek frekanslı indüksiyon akımı kullanılır. Proses, yaygın kullanımına sebep olan aşağıdaki avantajlara sahiptir. 1- Isıtma çok hızlıdır (işlemin tamamlanması için sadece birkaç saniye gereklidir). 2- Operasyon kolayca yarı otomatik yapılabilir ve böylece yarı kalifiye iş gücü kullanılabilir. 3- Isıtma sargılarının şekli ve kısa ısıtma zamanı nedeniyle sıcaklık birleşmenin dar bir alanına yoğunlaştırılabilir. Bu durum pullanma, renklenme ve çarpılmayı azaltır. 4- Üniform neticeler her zaman elde edilebilir. 5- Isıtma sargıları nispeten basit olduğu için çok çeşitli işler tek bir güç ünitesi ile lehimlenebilir. Yüksek frekanslı güç kaynağı üniteleri, küçük veya büyük kapasitede çok uygun maliyetlerde elde edilebilir. Sadece verilen bir işe göre indüksiyonla lehimlemeyi adapte etmek için gerekli özel ekipman, istenen alanda ısıtmayı sağlayan ve birleşme bölgesine uygun basit bir ısıtma sargısıdır. Bu tür sargılar, içinden soğutma suyu geçen bakır borulardan şekillendirilir.
203 Doldurma metali, bölge ısıtıldıktan sonra elle ilave edilmesine rağmen, operasyonu hızlandırmak ve daha üniform birleşme elde etmek için sıkıştırılmış parçalar kullanmak pratik bir çözümdür. İndüksiyonla lehimleme çok hızlıdır ve yüzey temizliliğini etkilemeksizin, gümüş kaplama gibi düzgün yüzeyli parçaları lehimlemek için kullanılır. Bazen nokta kaynağına benzer şekilde birleştirilecek parçalar iki elektrot arasında basınç altında tutularak alternatif elektrik akımı geçirilir ve dirençle lehimleme yapılır. Fakat direnç kaynağından farklı olarak direncin çoğu karbon veya grafitten yapılmış elektrotlardan sağlanır. Böylece metal ısısının çoğu sıcak elektrotlardan kondüksiyon ile sağlanır. Bu proses genellikle lehim iletkenleri, kablo bağlantıları vb. elektriki ekipman imalatında kullanılır. Uygun kaynak ekipmanları dirençle lehimleme için adapte edilerek kullanılır. Ayrıca yüksek enerjili bir kuartz lambası ile sağlanan infrared ısıtma ile de lehimleme yapılabilir. 4.2. 1. 5- Toz Giderme
Bütün lehimleme tozları, korozif olmamasına rağmen birçoğu koroziftir. Dolayısıyla artık tozlar tamamen kaldırılmalıdır. Yaygın olarak kullanılan tozların çoğu sıcak suda çözülebilir ve bu yüzden gidermek zor değildir. Birkaç dakika sıcak su tankına daldırma iyi netice verecektir. Genellikle, artık tozları sıcakken kaldırmak daha iyidir. Kum veya tane ile muamele etmede toz kaldırmada etkili bir metottur. 4.2. 1. 6- Tozsuz Lehimleme
Lehimleme tozunun kullanılması ve tozun giderilmesinin fazladan maliyet getireceği açıktır. Özellikle karmaşık birleştirme ve montajların söz konusu olması nedeniyle maliyet iyice artar. Sonuçta toz gerektirmeyen, özellikle alüminyumun lehimlenmesinde, geliştirme yolları aranmaktadır. Otomobil radyatörleri gibi ağırlığın önemli olduğu yerlerde, ısı transfer uygulamalarında kullanım için düşük ağırlığı ve iyi ısı iletkenliği nedeniyle alüminyumun belli avantajı vardır. Alüminyumun lehimlenmesi düşük ergime noktalı ve yüksek galvanik potansiyelli refrakter oksit filmi tarafından zorlaştırılır. Fakat komplike vakum fırın teknikleri kullanılarak (0.0013 Pa - 1xl0-5 bar basınçlı ) alüminyumun tozsuz lehimlenmesi başarılır. Az miktarda oksijen, nitrojen ve diğer gazların absorbe olmasına yardım etmek için gaz giderici metal kullanılır. Bu metal gazları vakuma alır veya alüminyumdan uzaklaştırır. Alüminyum lehimlenmeden önce dikkatli bir şekilde yağlardan arındırılmalı ve birleşme dizaynı iyi değerlendirilmelidir. Keskin V-ağızlı birleşmeler iyi netice verir. Alüminyumun açık havada indüksiyonla tozsuz lehimlenmesinde bir parça başarı sağlanmıştır. Bu durumda alüminyum lehimleme metali yaklaşık % 7 silikon ve % 2.5 magnezyum ihtiva eder. Oluşan magnezyum buharı alüminyumun yüzeyindeki oksidin bir kısmını azaltır ve böylece lehimleme metalinin akmasına ve alüminyumun yüzeyini kaplamasına sebep olur.
204 4.2. 1. 7 - Lehimlenecek Birleştirmelerin Dizaynı
Lehimlemede birleştirme dizaynı önemlidir. Şekil 55’de görüldüğü gibi lehimleme ile kuvvetli bağlantılar elde etmek için geniş temas alanı sağlanmalıdır. Lehimlemede üç çeşit birleştirme tarzı kullanılır ve bunlar alın, geçmeli ve bindirme veya makaslamadır. Bu örnekler iyi ve kötü dizayn şekilleri, aynı şekilde belirtilmiştir. Genellikle lehimlenmiş birleşmenin mukavemeti, esas metalinkinden düşük olduğundan yeterli mukavemet, yeterli birleşme alanı kullanarak elde edilmelidir. Maksimum mukavemet gerektiğinde genellikle bazı bindirme birleştirme tipleri kullanılır. Eğer birleştirmeler daha dikkatli yapılırsa, metalin kalınlığının 1-1.25 katı bir bindirme alanı ana metalinki kadar yüksek mukavemet verebilir. Fakat rutin birleştirmelerde, metal kalınlığının üç katına eşit bir bindirme kullanmak en iyisidir. İyi elektrik iletkenliği genellikle malzeme kalınlığının 1.5 katı bir bindirme ile elde edilebilir. Eğer maksimum birleştirme mukavemeti arzu edilirse lehim metali mukavemetini kazanması için yeterince soğuyuncaya kadar ısıtma sırasında parçalara biraz basınç uygulamak gereklidir. Bir çok durumda, gerekli basınç uygun birleşme ve dizayn seçimi ile kendiliğinden sağlanabilir. Lehimlenecek birleşme dizaynında, birleşme bölgesine gazların hapis olmayacağından emin olmak gerekir. Sıkışmış gazlar ısıtma sırasında basınç oluşturacağından birleşme bölgesine doldurma metalinin akışını önleyebilir.
Şekil 55- Sert lehimleme için birleştirme örnekleri. İyi dizaynda ince bağlayıcı ve geniş temas alanı gerekir
205 4. 2. 1. 8- Lehim Kaynağı
Doldurma metalini dağıtmak için kapiler etki olmadığından lehim kaynağı, sert lehimlemeden farklılık arz eder. Burada ergimiş doldurma metali oksi - asetilen gaz kaynağındaki gibi çekim ile nispeten düşük sıcaklıklar gerektirdiği ve çarpılma minimum olduğu için, çelik parçalar ve dökme demirlerin tamirinde oldukça verimlidir. Fakat sert lehimleme, öncelikle imalatta birleştirme işlemi olarak kullanılır. Düşük ısı grafit şeklini değiştirmediği ve proses iyi ıslanma özelliği gerektirmediği için bazı dökme demirlerin birleştirilmesinde de caziptir. Mukavemet, kullanılan lehim metali tarafından belirlenir ve tamir edilecek parçalarda tam mukavemet arzu edilirse önemli oranda lehim metali biriktirilmesi gereklidir. Bütün lehim kaynakları bir oksi-asetilen torcu ile yapılır. Doldurma metali ilave edilmeden önce yüzeyler, ince bir lehimleme metali ile kalaylanmalıdır. Çeşitli fabrikasyon işlemlerinde kullanılmasına rağmen pirinç kaynağının esas kullanıldığı alanlar demir dökümler gibi parçaların tamir ve bakımıdır. 4 2. 1. 9- Lehimlenmiş Bağlantıların Tabiatı ve Mukavemeti
Kaynaktaki gibi lehim ara yüzeyinde tamamen kuvvetli metalürjik bir bağ oluşur. Bağlama mukavemetine, temiz yüzeyler, uygun aralık, iyi terleme ve iyi akıcılık ta katkıda bulunulur. Meydana gelen mukavemet çok yüksek olabilir. Öyle ki; lehim alaşımınınkinden kesinlikle yüksek olması yanında ana metalinkinden daha yüksek mukavemet elde edilebilir. Bu mukavemeti elde edebilmek optimum işlem ve dizaynı gerektirir. Bağ mukavemeti birleştirilecek parçalar arasındaki boşluğun kuvvetli bir fonksiyonudur. Lehim metali bağlantıyı ıslatacak ve arasına akacak şekilde, birleştirmede yeterli boşluk olmalıdır. Fakat bunun ötesinde mukavemet lehim malzemesininkine göre birleştirme kalınlığının bir fonksiyonu olarak azalır. Boşluk, lehim malzemesinin tipine bağlı olarak önemli bir şekilde değişir. Bakır, bir hidrojen ortamında ısıtıldığı zaman aralık gerektirmez. Gümüş alaşımlarından lehim malzemeleri yaklaşık 0.04-0.05mm ve 60-40 pirinci ile demir ve bakır lehimlenirken ise yaklaşık 0.5 -0.75 mm bir boşluk gerektirir. Islanma kabiliyeti, lehim malzemesi ve ana metal arasındaki yüzey geriliminin kuvvetli bir fonksiyonudur. Eğer iki metal orta derecede difüze olmuş durumda ise ıslanma kabiliyeti, genellikle iyidir. Bazen bu özellik, kalay - kurşun lehimi kabul edecek şekilde (lehim kaplanmış çelikler gibi) iyileştirilebilir. Akıcılık, ergimiş lehim malzemesinin akma özelliğinin bir ölçüsü, metalin sıcaklığı, yüzey temizliği ve boşluğun bir fonksiyonudur.
206 4.3- Yumuşak Lehimleme
Yumuşak lehimlemede, doldurma metalinin ergime sıcaklığı 450 °C’nin altındadır. Bağ mukavemeti nispeten düşüktür ve birleşme lehim ve esas metal arasındaki adhezyon neticesi meydana gelir. 4.3.1- Lehim Metalleri
Çoğu lehimler, çok az miktarda (genellikle % 0.5’den az) antimuan ihtiva eden kurşun ve kalay alaşımlarıdır. Birleşme özelliklerini geliştirmek ve özel uygulamalar için kalay - çinko, kurşun - gümüş, kadmiyum - gümüş, çinko – alüminyum alaşımları kullanılır. En çok kullanılan üç alaşım % 60, 50 ve 40 kalay ihtiva eder ve ergime noktası 241 °C’nin altındadır. Bileşim oranları % 5 Pb - % 95 Sn ile% 70 Pb - %30 Sn arasında değişir. Kalay pahalı olduğundan, yüksek kalay ihtiva edenler sadece yüksek akıcılık gerektiren yerlerde kullanılır. Otomobil kaborta işlerinde olduğu gibi mukavemet gerektirmeyen yerlerde çentik ve boşlukları doldurmak için lehim sadece % 20-30 kalay ihtiva eder. Cu - Au , Sn - Pb alaşımları lehimlemede kullanılan ilk alaşımlardır. Çeşitli amaçlar için diğer lehim alaşımları geliştirilmiştir. Antimuanlı kalay alaşımları, elektriki uygulamalar için faydalıdır. Bizmut alaşımları çok düşük ergime noktasına sahiptir. Alüminyum, daha çok kalay - çinko, kadmiyum - çinko veya alüminyum - çinko alaşımları ile lehimlenir. Kurşun - gümüş veya kadmiyum - gümüş alaşımları yüksek sıcaklıklarda çalışma için kullanılabilir ve indium kalay alaşımları metali cama birleştirmede faydalıdır. 4. 3.2- Lehimleme Tozları (Pastaları)
Sert lehimlemedeki gibi, yumuşak lehimlemede de metal temiz olmalıdır. Bu amaçla tozlar kullanılır fakat toz (pasta) uygulanmadan önce bütün kir, yağ ve gresin temizlenmesi gerekir. Lehimleme tozları çok miktarda kirlilikleri giderme kabiliyetine sahip değildir. Tozlar genellikle, organik, organik asit veya organik reçinelerden oluşmuştur. Genel bir çözelti Zn Al klorittir. Kimyasal reaktiflikleri ve korozyona dirençleri nedeniyle her bir uygulamaya türüne göre toz seçilmelidir. Lehim pastaları, korozif ve korozif olmayan tozlar şeklinde sınıflandırılır. En yaygın korozif olmayan toz alkollü rosindir (rosin turpentinin destilasyonundan sonra çöker). Eğer yüzeyler temizse bu pasta bakır, pirinç ve kalay, kadmiyum veya gümüş kaplanmış yüzeyler için uygundur. Anilin fosfat daha aktif korozif olmayan bir tozdur fakat toksit gazlar verdiği için kullanımı sınırlıdır. Bakır ve pirinç için uygun olması yanında alüminyum, çinko, çelik ve nikel içinde kullanılabilir.
207 Genelde kullanılan iki çeşit korozif pasta hidroklorik asit, çinko ve amonyum kloridlerin bir karışımıdır. Asidik pastalar çok aktiftir fakat yüksek korozif etkiye sahiptirler. Klorid pastalar, alüminyum, bakır, pirinç, bronz, çelik ve nikel üzerine eğer yüzey üzerinde yağ yoksa etkilidir. Korozyondan korunmak için lehimlemeden sonra tozlar su ile yıkanarak tamamen giderilmelidir. Elektriki birleştirmelerde korozyonu önlemek için organik reçineler kullanılmalıdır. 4. 3. 3- Lehimleme İçin Isıtma
Lehimleme sıcaklıkları genel olarak 180 - 245 °C arasındadır. Sert lehimleme için uygun olan birçok ısıtma metodu yumuşak lehimleme için de kullanılabilmesine rağmen, fırın ve tuz banyosunda ısıtma nadiren kullanılır. Tel uçlarının lehimle birleştirilmesinde, otomobil radyatörlerinde, kalaylamada ve özellikle elektronik işler için daldırma lehimleme yaygın olarak kullanılır. Çok sayıda aynı cins parçalar lehimlenecekse indüksiyonla ısıtma daha caziptir. Fakat günümüzde hala çok miktarda lehimleme elektrik lehimleme havyaları veya ütüleriyle yapılır. Bunların kullanılmasının temel gerekçesi yeterli ısı kapasitesine sahip olmalarıdır. Düşük ergime noktalı lehimler için infrared ısı kaynağı kullanılır. Sert lehimlemedeki gibi birleşme bölgeleri lehim veya bir tel şeklinde beslenebilen doldurma metaliyle sıkıştırılabilir. Isıtma metodu hangi yolun izleneceğini belirler. Bu işlem daha çok otomatik ekipmanlar ile elektronik endüstrisi ve hava veya sıvı sızdırmaz bağlantılarda kullanılır. Ultrasonik lehimlemede ergimiş lehim, bileşecek yüzeylerden oksit tabakasını parçalayan transduser vasıtasıyla ultrasonik kavitasyona maruzdur. Bu durumda koruyucu toza gerek yoktur. 4. 3.4 - Lehimlenecek Bağlantıların Dizayn ve Mukavemeti
Lehimlenmiş bağlantılar 1.72 MPa’lık kesme mukavemetine nadiren dayanırlar. Bundan dolayı, iyi bir mukavemet istenirse lehimlenmiş bağlantıların kullanılmaması gerekir veya yuvarlak conta kilit bağlantıları gibi bazı mekanik bağlantılar lehimlemeden önce o bölgede kullanılmalıdır. Alın birleştirmeleri asla kullanılmamalı ve soyulma etkisinin olduğu dizaynlardan kaçınılmalıdır. Lehimleme yapılmış bir bağlantı yüksek sıcaklıklarda sınırlı bir hizmet verebilir. Dolayısıyla lehimleme genel olarak yapısal mukavemet gerektiren yerlerde kullanılmamalıdır. Yumuşak lehimleme için en uygun birleştirme şekli geniş temas alanı nedeniyle kesme gerilmelerine maruz bindirme birleştirmedir. Lehimlenmiş bağlantılar yapmada, lehim katılaşma sıcaklığının altına soğuyuncaya kadar oynama meydana gelmemesi için parçalar sıkıca tutulmalıdır. Aksi takdirde bağlantıda çok sayıda çatlaklar oluşacak ve mukavemet önemli ölçüde azalacaktır.
208 4. 3.5 - Toz Giderme
Korozyonu önlemek veya iyi görünüm için toz veya pasta lehimlenmiş bağlantılardan temizlenmelidir. Eğer tozda kullanılan çözücü (solvent) cinsi biliniyorsa toz temizleme kolay başarılır. Suda çözülebilen tozlar sıcak su veya bir fırça ile temizlenebilir. Alkol çoğu rosin tozları temizler. Çoğu pastalarda olduğu gibi toz gres ihtiva ediyorsa sıcak su muamelesinden sonra bir gres çözücü kullanılabilir. 5- YÜZEY KAPLAMA İŞLEMLERİ 5. 1-Giriş
Yüzey kaplama, farklı bileşimdeki bir metal veya bir alaşım malzemesini yüzey üzerine veya ana metalin bir kenarına biriktirmektir. Esas gayesi, aşınma, abrazyon veya kimyasal reaksiyonlara karşı direnci iyileştirmektir. Gaz - alev, ark veya plazma - ark metotları kullanılır. Biriktirilen malzeme genellikle ana metalden daha sert olduğundan proses sert yüzey oluşturma diye isimlendirilir. Fakat bu her zaman doğru değildir. Bazı durumlarda bronz gibi yumuşak bir metal, sert bir ana metal üzerine uygulanır. 5. 2- Kaplama Malzemeleri
Yüzey kaplamada yaygın olarak kullanılan malzemeler aşağıda sıralanmıştır. 1 - Karbonlu ve düşük alaşımlı çelikler 2 - Yüksek alaşımlı çelikler ve dökme demirler 3 - Kobalt esaslı alaşımlar 4 - Monel, Nikrom ve hastelloy gibi nikel esaslı alaşımlar 5- Bakır esaslı alaşımlar 6 - Paslanmaz çelikler 7 - Oksit, borit, silikat vb. seramik ve reflakter malzemeler 5.3- Yüzey Kaplama Metotları ve Uygulaması
Yüzey kaplama malzemeleri, oksi - yanıcı gaz, korumalı metal ark, gaz metal ark, gaz tungsten ark, toz altı ark ve plazma arkı içine alan gaz alev veya ark kaynak metotlarının hemen hemen hepsi vasıtasıyla kaplanacak malzeme üzerine biriktirilebilir. Ark kaynağı, yüksek ergime sıcaklığına sahip alaşımların biriktirilmesi için yaygın olarak kullanılır. Eğer geniş yüzeyler kaplanacaksa veya çok miktarda malzeme biriktirilecekse toz altı ark kaynağı faydalıdır. Plazma ark prosesi yüksek sıcaklığı sebebiyle daha fazla kapasiteye sahiptir. Kaplama malzemesinin tam ergimesini sağlamak için bir transfer arkı kullanılır ve kaplama
209 malzemesi toz şeklinde gönderilir. Eğer transfer arkı kullanılmazsa sadece mekanik bir bağ elde edilir. Bu ise metal püskürtmenin bir şeklidir ve aşağıda açıklanmıştır. Lazer de sert kaplamalarda kullanılabilir. 5.3.1-Metal Püskürtme
Metal püskürtmede, kaplama malzemeleri ergitilir ve özel bir torc veya tabanca içinde atomize edilerek ana metal üzerine püskürtülür. Şekil 56, bir oksi-asetilen metal püskürtme tabancasını göstermektedir. Püskürtülecek malzeme alevin merkezinden tel şeklinde otomatik olarak beslendiğinden ergir ve basınçlı hava ile devamlı olarak atomize edilerek ana metal üzerine üflenir. Hemen hemen tel şekline getirilebilen bütün metaller bu yolla püskürtülebilir. Diğer bir tip tabanca toz şeklindeki malzemeleri alev içinden üfler. Bu şekilde sadece metaller değil aynı zamanda madeni seramikler, oksitler ve karbürler de püskürtülebilir. En yaygın metot Şekil 57’de gösterilen plazma ile püskürtme (plazma spreyleme) prosesidir. Plazma sıcaklıkları 16650°C’ ye ulaşabildiğinden ergime noktası 3300°C’ye kadar olan malzemeleri püskürtmede kullanılabilir. Metaller, alaşımlar, seramikler, karbürler, metal seramikler, intermetalikler ve plastik esaslı metal tozları başarılı olarak püskürtülebilir. Metal püskürtme tabancaları el veya makineye bağlı olarak mekanik şekilde çalıştırılabilir. İş parçası ve sprey nozulu arasında 150 - 250 mm’lik bir mesafe genellikle olmalıdır.
Şekil 56 - Bir oksi - asetilen metal püskürtme tabancasının şematik diyagramı
210
Şekil 57 - Bir plazma metal püskürtme tabancasının şematik diyagramı
5. 3. 1. 1- Yüzey Hazırlama
Metal püskürtme ile ana ve biriktirilen malzeme arasında elde edilen bağ tamamen mekanik olduğundan iyi bir mekanik kilitlenme elde edilebilsin diye uygun bir yüzey hazırlamak gereklidir. Herhangi bir yüzey hazırlama metodu ile esas yüzey temizlenmeli ve yağdan arındırılmalıdır. En yaygın yüzey hazırlama metodu kum püskürtmedir (patlayan bir madde önünde kumların hızlıca püskürtülmesi). Gerçek bir kaba yüzey elde etmek için püskürtülen taneler yeterli keskinlikte olmalıdır. Silindirik yüzeyler için etkili bir metot bir tornada çok kaba diş açma ve sonra diş tepelerini tırtıllı bir takımla ezmedir. Düz bir yüzey üzerine uygulanan değişik bir metot yüzeye bir seri paralel kanallar açmak (yuvarlatılmış ağızlı kanal takımı kullanarak) ve sonra kanallar arasındaki çıkıntıları haddelemektir (Şekil 58). Eğer metal püskürtülecek yüzey işlenecekse maksimum kilitlenme sağlamak için ya kaba işlenmeli veya kanal açılarak hazırlanmalıdır.
Şekil 58 - Metal püskürtme için yüzeye kanallar açıp müteakiben haddeleyerek yüzey hazırlama
211
5. 3.1.2- Püskürtülen Metallerin Özellikleri
Püskürtme metallerinin beklenen özellikleri, küçük parçacıklar şeklinde kırılması, ergimiş parçacıkların hava ile karışması ve ana metale çarpar çarpmaz hızlıca soğumasıdır. Netice olarak metal oksidi veya daha sert parçacıklar ihtiva eden kaplamalar fazla gözenekli ve işlenmiş durumdakilerden daha kırılgandırlar. Genelde dökme metallerin özelliklerinin çoğuna sahiptirler. Fakat bu özellikler püskürtülmüş metalleri özellikle abrasyon ve aşınmaya dirençli yapar ve taşıma yüzeyleri oluşturur. Gözenekli oluşu yağlayıcıyı üzerinde tutar ve yağlamanın devamlılığını sağlar. Püskürtme kaplamalar sadece % 85 - 90 yoğunluğa ve işlenmiş metallerin mukavemetinin yaklaşık 1/2 - 1/3’üne sahip olmasına rağmen onlar kadar iyi elektrik iletkenliğine de sahiptirler. 5.3.1.3- Metal Püskürtme Uygulamaları
Metal püskürtmenin önemli birçok uygulamaları vardır. 1 -Koruyucu Kaplamalar : Korozyon direnci sağlamak için çinko ve alüminyum, çelik ve dökme demir üzerine püskürtülür. 2-Aşınmış yüzeyleri doldurma : Aşınmış parçalar istenen bölgelere metal püskürtme ile metal ilave ederek kullanılabilir hale getirilir. 3- Sert yüzey oluşturma: Metal püskürtme, kaynak metali biriktirerek elde edilen sert yüzey ile mukayese edilmese de, ince kaplama gerektiren yerlerde faydalıdır. 4- Pahalı metallerin kaplanması: Metal püskürtme, alışılagelmiş kaplamaların ekonomik olmadığı yerlerde değerli metallerin küçük alanlara ince olarak kaplanması için basit bir metottur. 5-Elektrik iletkenliği : Herhangi bir metal veya metal olmayan yüzeye metal püskürtülebildiği için, iletkenliği zayıf veya iletken olmayan bir yüzey üzerinde basit bir yolla iletken bir yüzey oluşturulabilir. Bu amaçla bakır veya gümüş cam veya plastik üzerine yaygın olarak püskürtülür. 6-Yansıtıcı yüzeyler : Özel bir ergitme prosesiyle camın arka yüzüne alüminyum püskürtülmesi mükemmel bir yansıtma yüzeyi sağlar ve trafik işaretleri vb. uygulamalarda kullanılır. 7-Dekoratif amaçlı uygulamalar: Metal püskürtmenin en eski ve hala uygulanan önemli bir şekli dekoratif uygulamalardır. Püskürtülen metal fırçalama, telle fırçalama ve püskürtülmüş şartlarda bırakma gibi birçok şekilde işlem görebildiğinden dekoratif ürünler ve mimari işlerde kullanılır.
212 6- ALEVLE DÜZELTME
Esas olarak alevle düzeltme eğrilmiş veya çarpılmış plakaları düzeltmek için kontrollü ısıtma işlemidir. Prosesin teorisi Şekil 59’da gösterilmiştir. Eğer doğru bir metal parçanın bir kısmı bölgesel olarak ısıtılırsa (üst şekilde eğri çizgilerle belirtilmiş) soğuk metalin yeniden düzelmesine karşın uzamaya çalışacağından metal malzeme (b) ye dönüşecektir. Eğer şişme bölgesi soğutulursa büzülme olacak ve parça (b) kenarı boyunca kısalacak ve eğilecektir (alt şekil). Eğer aynı yol eğilmiş veya çarpılmış malzeme için kullanılırsa, Şekil 54’ün alt parçasında gösterilen ısı izlerini kullanarak dövme veya müteakiben a kenarında malzemenin düzeltiminden dolayı parça düzelebilir. Bu yol eğilmiş parçalara sahip çeşitli yapıları düzeltmek için kullanılır.
Şekil 59 - Alevle düzeltmenin teorisi
Benzer bir proses çarpılma yüzünden bombeleşmiş düz metal plakalar için kullanılabilir. Bu durumda çevredeki bölgeler nispeten soğuk kalsın diye yaklaşık 51 mm çapında noktalar hızlıca dövme sıcaklığına ısıtılır. Sonra plaka üzerine soğuk su püskürtülür ve şişmiş noktaların düzeltilmesi yapılır. Büyük çarpılmaları gidermek için çok sayıda nokta ile prosesi tekrarlamak gereklidir. Fakat alevle düzeltme ince malzemeler için kullanılamaz. 7- PLASTİKLERİN KAYNAĞI
Termoplastik cinsi plastikler, sıcak bir gaz torcu veya elektriki olarak ısıtılan bir takım kullanılarak başarılı bir şekilde kaynatılabilir. Sıcak gaz torcunda bir gaz (genellikle hava) tork içinden geçerken bir elektrik sargısı tarafından ısıtılır. Elektriki takımlar bir elektrik lehimleme takımına benzer ve arzu edilen sıcaklığa ulaşıncaya kadar malzeme ile temasta tutulur. Isıtma, 246-357°C’de plastik yumuşayıncaya kadar yapılır. Sonra ergime ve yapışma sağlamak için biraz basınç uygulanır. V- ağızlı, alın veya normal alın ( I ) kaynağı uygulanır. Plastik, metal ergitme kaynağındaki gibi akıtılamadığından genellikle biraz doldurma malzemesi ilave edilmelidir. Bu işlem iş parçası ile birlikte ısıtılan plastik doldurma çubuğu kullanarak yapılır ve sonra bağlantıya bastırılır.
213 Böylece yapışmayı tamamlamak için gerekli basıncın birazı sağlanmış olur. Isıtılmış takımla kaynak, esnek plastik plakalarda bindirme - dikiş kaynağı yapmada kullanılır. Malzeme ısıtıldıktan sonra bir merdane veya diğer basınç elemanları ile basınç uygulanır. Alın kaynağı bazen plastik boru ve çubuklarda sürtünme yoluyla gerçekleştirilir.
8- METAL KESME YÖNTEMLERİ 8. 1 - Torc ve Arkla Kesme
Yıllardır metal saclar ve plakalar oksi-yanıcı gaz torcları ve elektrik ark düzenekleri vasıtasıyla kesilmektedir. Esasta tamir ve bakım için, daha sonraları kaynak için plaka hazırlamak maksadıyla geliştirilmiş bu proses şimdilerde çeşitli montajlar için arzu edilen şekillerde sac ve metal plaka kesme ve diğer operasyonlar için yaygın olarak kullanılmaktadır. Son yıllarda lazer ve elektron ışın ekipmanlarının geliştirilmesi metal ve metal olmayan parçaların 25.4 m/s’lik hızlarla kesilmesi mümkün kılınıştır. 0.254 mm’ ye kadar tolerans ve 1.27 m/s hızlar genel ve yaygın özelliklerdir. Şekil 60, yaygın olarak kullanılan torc ve arkla kesme proseslerinin AWS’ye göre sınıflandırılmasını göstermektedir.
Şekil 60 - Yaygın kesme işlemleri
214 8. 1. 1 - Oksijen Torcuyla Kesme
Oksi - Yanıcı Gazla Kesme : Metal kesmenin büyük çoğunluğu oksi - yanıcı gaz aleviyle yapılır. Birkaç durumda, yani metal demir dışı ise, metal sadece oksi-yanıcı gaz torcunun alevi vasıtasıyla ergitilir ve bir boşluktan veya aralıktan üflenerek uzaklaştırılır. Fakat demir karbon alaşımı metaller kesilirken aşağıdaki kimyasal eşitliğe göre yüksek sıcaklıklarda demir yanarak hızla oksidasyona uğrar.
Bu reaksiyon, çelik yaklaşık 870°C’ye ulaşıncaya kadar meydana gelmeyeceğinden ilk olarak bir oksi - yanıcı gaz alevi, metali yanmanın başlayacağı sıcaklığa ulaştırmak için kullanılır. Sonra, demiri okside etmek için bir saf oksijen hüzmesi torcla gönderilir veya alevin oksijen ihtivası arttırılır. Sıvı demiroksit, oksijen - gaz hüzmesinin kinetik enerjisi ile bölgeden uzaklaştırılır. Teorik olarak daha fazla ısı gerekli değildir fakat çoğu durumlarda atmosfere kaçan ve metal çevresine yayılan kayıpları karşılamak ve böylece reaksiyonun gelişmesini tam olarak sağlamak (özellikle arzu edilen doğrultuda) için biraz ilave ısı verilir. İdeal şartlar altında, yanma alanı yeterli olacak şekilde sınırlı olduğu durumlarda ilave ısı gerekmeksizin yanma ısısını yoğunlaştırmak için kesilmeyi devam ettirecek oksijen küçük bir boru içinden gönderilir. Bu “oksijen mızrağı ile kesme” olarak bilinir ve bu prosesin etkili olabilmesi için sıcaklığın 1204 °C’ye ulaşması gereklidir. Oksi - yanıcı gazla kesme için yanıcı gazlar: Oksi - yanıcı gazla kesmede asetilen en yaygın yanıcı gaz olarak kullanıldığından proses, oksi - asetilenle kesme olarak isimlendirilir. Şekil 61’de gösterilen torclar yaygın olarak kullanılır. Uç, ısıtma alevini oluşturan oksijen - asetilen karışımının içinden geçtiği çevreye dizilmiş küçük delikleri ihtiva eder. Ortadaki geniş bir delik oksijen hüzmesi verir ve bu hüzme bir valf koluyla kontrol edilir. Kesme oksijeninin hızlı akışı sadece hızlı oksidasyon sağlamayıp aynı zamanda oksitleri kesme bölgesinden uzaklaştırır. Eğer torc ayarlanır ve düzenli olarak çalıştırılırsa düzgün bir kesme sağlanır. Kaliteli bir kesme, uygun bir ön ısıtma, oksijen hızı ve kesme hızı seçilmesini gerektirir. En etkili kesme için oksijenin % 99.5 saflıkta olması gerekir. Kesme torcları el ile çalıştırılabilir fakat çoğu imalat operasyonlarında istenen eğrilikte bir hat, mekanik veya bir programlayıcı vasıtasıyla kontrol edilir. Doğru kesmeler için kesme torcu bir yay boyunca hareket eder. Ayrıca çeşitli çaplarda parça kesmek için adapte edilebilir. Çok karmaşık şekiller söz konusu ise bir şablon ile kontrol edilebilen alevle kesme makinesi yaygın olarak kullanılır. Son yıllarda kompüter nümerik kontrollü (CNC) kesme makineleri oldukça popülerdirler. Bu tip makinelerin hepsi arzu edilen şekilleri iyi bir hassasiyetle üretir. ± 0. 38 mm’lik hassasiyet mümkünse de 0.76- 1 mm’lik toleranslar daha yaygındır.
215
Şekil 61- Bir oksi - asetilen kesme torcunun kesiti
Asetilenden başka yanıcı gazlar da oksijenle kesmede kullanılır. Bu gazlar doğal gaz ve propandır. Bu gazların kullanımı ekonomiktir. Belli özel işler için hidrojen de kullanılabilir. Kaynak için plaka ağızlarının hazırlanmasında iki veya üç kesme aynı anda yapılabilir. Birlikte Kesme: İnce çelik sacların birlikte başarılı olarak kesilmesinde iki ön şart vardır. İlki, saclar düzgün olmalı ve kav tabakası ihtiva etmemelidir. İkincisi ise ergimiş metal veya cürufun girmemesi ve oksidasyonu durdurabilecek şekilde aralarında boşluk bulunmamalıdır. Birlikte kesme duble parçaların uygun miktarları için faydalı bir tekniktir fakat boşaltma kalıplarının konstrüksiyonunu sağlayacak şekilde yeterli değildir. Bundan dolayı elde edilen hassasiyet boşaltma ile elde edilen kadar iyi değildir. Metal tozu ve kimyasal tozla kesme zor kesilen malzemeler modifiye edilmiş torc teknikleri ile işlenebilirler. Metal tozu ile kesme, kesme sıcaklığını yükseltmek için alev içine demir tozunun enjeksiyonundan ibarettir. Kimyasal tozla kesmede, yüksek ergime noktalı oksitlerin akıcılığını yükseltmek için kesme oksijenine ince bir özel toz ilave edilir. İki metotta yerini plazma ark torcu ile kesme yöntemine terk etmiştir. Su altı torcuyla kesme çelikler, oksi-asetilen alevine ikincil oksijen veren basınçlı hava akımını sağlayan ve metalin yanma bölgesindeki suyu uzaklaştıran özel bir torc kullanarak su altında kesilebilirler. Böyle torclar (Şekil 62) içinden basınçlı havanın geçtiği esas ucu saran yardımcı bir hüzme ihtiva ederler. Bu torc inişten önce ya genel tarzda veya su altına indikten sonra elektriki bir kıvılcımla ateşlenir. Asetilen gazı genellikle 7.5 m derinliklerdeki kesmelerde kullanılır. Daha fazla derinlikler de güvenli çalışma için asetilene göre basıncı çok daha fazla olduğundan hidrojen kullanılır.
216
Şekil 62- Bir sualtı kesme torcu. Dikkat edilirse hava balonu sağlamak için torc üzerinde fazladan bir gaz açma seti ve kontrol valfi mevcuttur.
8. 1. 2- Arkla Kesme
Hemen hemen arkın ısıl şiddetiyle ergiyen ve oluşan aralıktan ergimiş metalin atılabildiği bütün metaller elektrik arkı vasıtasıyla kesilebilirler. Daha önce tartışılan çoğu ark kaynağı prosesleri bu iş için kullanılabilir. 8. 1 . 2. 1 - Karbon Ark ve Korumalı Metal Arkı ile Kesme
Kullanılan bu metotlarda ark metali ergitir ve ergiyen metal oluşan boşluktan arkın gücü ile uzaklaştırılır. Kullanımı ince metaller için sınırlıdır. 8.1.2.2-Oksijen Torcu ile Kesme
Bu proseste, kesmeyi gerçekleştirmek için bir elektrik arkı ve bir oksijen hüzmesi birlikte kullanılır. Elektrot demir esaslı örtülü bir tüptür ve tüpün deliğinden oksijen yayılma alanına nakledilir ve yönlendirilirken arkın devamı için iletici vazifesi de görür. Çelik gibi kolay oksitlenen metallerde ark esas metali ön ısıtır, okside eder, sıvılaştırır ve oksijen jeti tarafından uzaklaştırılır. 8. 1. 2. 3 - Hava - Karbon Arkı ile Kesme
Burada iş parçası ve karbon elektrot arasında bir ark oluşturulur ve elektrot tutucudaki deliklerden çıkan yüksek hızlı hava jeti ergimiş metali uzaklaştırır. Oksidasyon oluşurken hava jetinin birincil fonksiyonu ergimiş metali kesme bölgesinden uzaklaştırmaktır. Proses kolay okside olmayan metallerin kesilmesinde kullanılır.
217 Dökme demirlerin kesilmesinde ve kaynak için çelik plakalara kaynak ağzı açılmasında özellikle etkilidir. 610 mm / dak.’lık hızlar kullanılabilir. Paslanmaz çelikler ve demir dışı metallerin kesilmesi için plazma arkı ile kesme daha etkindir. Oldukça sesli çalışması ve sıcak metal parçalarının çevreye saçılması hava-ark ile kesmenin dezavantajıdır. 8.1.2.4-Gaz-Metal Arkı ile Kesme
Eğer tel besleme hızı ve MIG kaynağının diğer değişkenleri plaka içine elektrot tamamen girebilecek şekilde ayarlanabilirse kaynak yerine kesme meydana gelir. Tel besleme hızı kesme kalitesini kontrol ederken voltaj kesme aralığının genişliğini belirler. 8. 1. 2. 5- Gaz-Tungsten Arkı ile Kesme
Gaz tungsten ark kaynağıyla aynı temel devre ve koruyucu gaz kullanılır. Ark ergimiş metali uzaklaştırırken aynı nozul içinden yüksek hızlı gaz jeti geçer. Proses, sac malzemelerde 9.5 mm’ye kadar çaplı delikler açmakta oldukça faydalıdır. 8.1.2.6- Plazma Arkı ile Kesme
Plazma arkı ile kesmede kullanılan torclar, mevcut en yüksek sıcaklığı üretir. Böylece bu torclar metallerin kesilmesi için, özellikle alışılagelmiş alev torcları ile oluşturulan hızlı oksidasyon ile kesilemeyen demir dışı ve paslanmaz çeliklerin kesilmesi için oldukça faydalıdır. Kullanılan torcların iki çeşidi, Şekil 63’te gösterilmiştir. Her ikisi de, küçük çaplı bir nozul içinde ark kolonunu daraltacak ve asal gazı yönlendirecek şekilde yapılmıştır. Ark açık nozulun esas kısmını doldurduğu için gazın çoğu ark içinden geçer ve plazma oluşturarak çok yüksek bir sıcaklık meydana getirir. Taşıyıcı olmayan torc da ark kolonu nozul içinde tamamlanır ve yaklaşık 16 649 °C’lik bir sıcaklık elde edilebilir. Taşıyıcı tip torcla (ark elektrot ve iş parçası arasında meydana gelir) sıcaklığın 33316oC’ye kadar ulaşılabildiği hesaplanmaktadır. Böyle yüksek sıcaklıklar herhangi bir metali ergiterek ve kesme bölgesinden üfleyerek çok hızlı bir kesme sağlar. 6.35 mm kalınlığındaki alüminyum da 7620 mm / dak. hız ve 12.7 mm kalınlığındaki çeliklerde 2500 mm / dak. lık kesme hızlarına ulaşılabilir. Aşırı yüksek sıcaklık ve plazma jetinin kombinasyonu, çok dar ve testere ile kesme kadar düz kesme yüzeyleri meydana getirir. CNC makinaları ile integrasyonu hızlı, temiz ve düzgün kesme imkanı verir. Taşıyıcı tip torclar genellikle metallerin kesilmesinde kullanılırken taşıyıcı olmayan tipler metal olmayan malzemeler için kullanılmalıdır. Argon, helyum, nitrojen ve argon ile hidrojen karışımı bu proseste kullanılır. % 65-80 argon ve % 20-35 hidrojen karışımı çok yaygın bir gaz karışımdır.
218
Şekil 63 - Plazma - Ark torclarının çalışma prensibi
8. 1 . 3 - Lazer Işını ile Kesme
Lazer ışınıyla kesmede, kesilecek malzemeyi ergitmek ve/veya buharlaştırmak için lazer ışınından oluşan ısı kullanılır. Bilinen bütün malzemeler bu prosesle kesilebilir. Bazı metal olmayan malzemeler için mekanizma tamamen buharlaştırmadır. Fakat birçok metal için bir gaz gönderilir. Bu gazlar ya ergimiş metali bölgeden uzaklaştıran ve düzgün, temiz bir yüzey sağlayan bir asal gazdır veya oksidasyon prosesini hızlandırmak için oksijendir. Ulaşılan sıcaklık 11093 °C’yi geçebilir ve metal olmayan malzemelerde yaygın olmayan kesme hızları 25.4 m/dak. ve çeliklerde 508 mm / dak’dır. Çok düzgün kesme yüzeyleri elde edilebilir. Kesme aralığı ve ısı etkisi altında kalan bölge diğer termal kesme proseslerindekinden oldukça dardır. Proses CNC kontrol ünitesine kolayca adapte edilebilir. Çoğu uygulamalarda son tamamlama işlemi gerekmez hatta proses ince ve iyi bir yüzey kalitesi sağlar.
219 8. 2 - Metalürjik ve Isı Açısından Dikkate Alınacak Hususlar
Alev ve arkla kesme, lokalize olmuş yüksek sıcaklıkları ihtiva eder. Sonuçta, bu proseslerin kullanılmasıyla zararlı metalürjik ve diğer ısı etkilerinin ortaya çıkması her zaman mümkündür. Dolayısıyla böyle ihtimaller unutulmamalıdır. Çoğu durumlarda zorlukları giderme şansı vardır fakat diğerlerin de zararlı etkilerden sakınmak veya üstesinden gelmek için belirli safhaların olduğu bilinmelidir. % 0.25’in altında karbon ihtiva eden düşük karbonlu çeliklerde oksi - asetilenle kesme genellikle ciddi metalürjik etki yaratmaz. Kesme bölgesine yakın dar bir alanda bazı küçük sertleşme ve az miktarda tane büyümesi meydana gelmesine rağmen eğer kesme ağızları müteakiben herhangi bir kaynak işle mine tabi tutulacaksa bu etkiler o zaman elemine edilecektir. Fakat daha yüksek karbon ihtiva eden çeliklerde bu etkiler oldukça ciddi olabilir ve ön ısıtma ve / veya son ısıtma gerekebilir. Alaşımlı çelikler için, alaşım elemanlarının etkilerinden dolayı ayrıca özen gösterilmelidir. Krom, molibden ve tungsten kesme için zorluk çıkarırlar. Isı etkisi açısından ark - hava ile kesme, ark kaynağı ile hemen hemen aynıdır. Bu prosesin kullanımını kaynak işlemi takip ederse ısı etkilerinin önemi olmayacak ve özel hazırlık gerektirmeyecektir. Fakat müteakiben kaynak işlemi yapılmayacaksa tahmin edilen gerilmeler açısından meydana gelen ısı etkisinin zarar verip vermeyeceği dikkate alınmalıdır. Plazma arkı ve lazerle kesme çok hızlıdır ve ısı bölgesel olarak yoğunlaşmıştır. Isıdan etkilenen bölge genellikle 2.38 mm’den daha azdır ve metalin orjinal sertliği kesme bölgesinin 1.59 mm ötesinde gözlenir. Bütün bu prosesler kesme yüzeylerinde çekme şeklinde kalıcı gerilmeler bırakır. İnce sacların durumu hariç, gaz veya arkla kesme genellikle çarpılma meydana getirmez fakat, eğer işleme ile kesilmiş yüzeyin bir kısmı müteakiben işlenirse veya artık gerilmeli derinliğin sadece bir kısmı giderilirse dengelenmemiş gerilmeler çarpılma meydana getirebilir. Böylece, eğer müteakip işleme yapılacaksa, boyutsal dengeyi sağlamak için bütün kesit boyunca bütün kesilmiş yüzeyi işlemek gerekli olabilir. İşleme, sertleşmiş yüzeyi bir pasoda ve takımın körlenmesinden kaçınarak yapılmalıdır. Alev veya arkla kesilmiş bütün kenarlar değişik derecede kabadırlar ve gerilme kaynağı olan geometrik çentikler ihtiva ederler. Dolayısıyla dayanma mukavemetini azaltırlar. Netice olarak, eğer böyle kenarlar yüksek veya tekrarlanan gerilmelere maruz kalacaksa, kesilmiş yüzeyler ve ısı etkisi altında kalan bölge mutlaka işlenmelidir veya en azından gerilme giderme ısıl işlemine tabi tutulmalıdır.
220 9- KAYNAK ve METAL KESMEDE POTANSİYEL PROBLEMLER 9. 1 – Giriş
Mühendislik öğrencilerinin çoğunun kaynakta meydana gelen ve sık karşılaşılan problemlerin temel nedenlerini anlamadan endüstriye gittikleri gözlenmiştir. Kaynak ve onun özel karakteristiklerine uygun önem verildiğinde çoğu yerde kullanılması gereken yegane bir prosestir. Kaynağın başarılı olarak uygulanmasında birleşme dizaynı önem arzeder. Çok sayıda mevcut proses bulunması, mümkün birleşme konfigürasyonunun çokluğu ve herbir operasyona özgü çok sayıda parametre olması nedeniyle proses seçimi karmaşıklık arzeder. Isıtma, ergitme ve yeniden katılaştırma malzeme özelliklerinin değişimini de içine alan birçok probleme sebep olabilir. Ana metal ve doldurma metalinin ergimesi sırasında çeşitli elementlerin buharlaşması veya gaz - metal reaksiyonlarının çeşitliliği sebebiyle de metal özellikleri değişebilir. Kaynak hatalarının yaygın tipleri şunlar olabilir. Çeşitli tipte çatlaklar, gaz veya büzülme boşlukları, inklüzyonlar (cüruf, toz ve oksit), kaynak ve esas metal arasında yetersiz ergime, yetersiz nüfuziyet (yetersiz kaynak derinliği), uygun olmayan kaynak şekli, elektrot yapışması, saçılma, arzu edilmeyen metalürjik değişmeler (yaşlanma, tane büyümesi veya dönüşümler) ve aşırı distorsiyon. 9. 2- Dizaynda Dikkate Alınacak Hususlar
Kaynak kendine has özellik ve kolaylığı açısından başka bir birleştirme metodu tarafından yeri direkt olarak doldurulamayan yegane bir prosestir. Kaynak çok kolay ve kullanma açısından elverişli olduğundan kaynak hatalarının sebepleri malesef bu tür olaylara bağlanabilir. Kaynakla bileştirmede uygun dizayn kullanılmalıdır. Kaynağın kullanımında akıldan çıkarılmaması gereken önemli bir faktör, monolitik veya tek parça yapı üreten faktördür. İki parça birlikte kaynatıldığında bir tek parça şekline dönüşür. Eğer uygun (düzenli) yapılmamışsa karışıklıklara sebep olur. Mesela çok parçalı bir yapının bir parçasındaki bir çatlak ciddi olmayabilir. Çünkü çatlak meydana geldiği parçadan öteye nadiren ilerler. Fakat eğer kaynaklı yapılar bir gemi, boru hattı, depolama tankı veya bir basınçlı tank gibi büyük ve sadece tek parçalı bir gövdeden ibaret ise bir tek parçada veya kaynakta başlayan bir çatlak büyük bir mesafeye ilerleyebilir ve komple tahribata sebep olabilir (ilerleme hızları 1524 m / s ve 304.8 m’lik mesafeye ilerlediği kaydedilmiştir). Açıkça böyle bir durum kaynağın hatası değildir fakat dizayn sırasında dikkatten kaçan basit bir gerçeğe bağlı olabilir.
221 Dizaynla ilgili diğer bir faktör, küçük parçalar şeklindeki bir malzemenin kaynağında, parçanın büyük bir parçadaki gibi davranamamasıdır. Bu gerçeğin önemi Şekil 64’te gösterilmiştir. Aşağıda kaynaklanmış bir Charpy darbe numunesi ve büyük bir numunenin testi sonucu aynı çelik için enerji absorblaması ve sıcaklık arasındaki ilişki sergilenmektedir. Charpy çubuğunda malzeme -4 °C’nin altındaki sıcaklıklarda sünek davranır ve iyi enerji absorbe eder. Fakat kaynaklanmış büyük parça sadece 43 oC’nin altında sünek davranır. Böylece kaynaklanmış büyük yapılarda kullanılacak çeliğin çentik - süneklilik özellikleri büyük önem taşıyabilir. Çelikler için alışılagelmiş katagoriler bu kaliteyi kontrol edemez. Dizayncının bu gerçeği hesaba almaması nedeniyle kaynaklanmış yapılardan çoğu hataya sahiptir.
Şekil 64- Bir çelik numunenin enerji absorblama kabiliyetine boyutun etkisi
Diğer bir yaygın hata, yapıyı aşırı rijit kaynatmaktır. Bu sebeple yapının yüksek gerilmeleri dağıtma ve hatadan arınma kabiliyeti azalır.Yapıları ve birleşmeleri yeterli esnekliğe müsaade edecek şekilde dizayn etmelidir. Kaynaklı yapıların çoğu bu özelliği sağlayabilir. Kaynak için birleşmeye bağlı faktörler kaynak pozisyonu, bileşenlerin uyumu ve birleşmenin özel tabiatı, dizayn sırasında dikkate alınacak faktörlerin bütününü oluşturur. 10- KAYNAK METALÜRJİSİ
Genellikle arzu edilmeyen metalürjik değişmelere sebep olan ısıtma ve soğutma, bütün kaynak proseslerinin ortak temel özelliğidir (soğuk kaynak hariç). Ergitme kaynağında ergime sağlamak için bölgeye yeterli ısı verilir ve müteakiben hızlı bir soğuma meydana gelir. Bu çeşit kaynakta termal etkiler oldukça önemlidir. Bu faktör ısıtma - soğutma çevriminin daha az olduğu diğer kaynak tiplerinde daha az derecede etkindir. Eğer bu termal etkiler uygun bir
222 şekilde kontrol edilirse kötü neticelerden sakınılabilir ve parçanın kullanımı boyunca iyi çalışma performansı elde edilebilir. Kötü sonuçlardan birinci derecede dizayncı ve imalatçı sorumludur. Çok çeşitli prosesler kullanılarak çok çeşitli metaller kaynatıldığı için kaynak metalürjisi geniş ve önemli bir konudur. Fakat temel bir kaç faktörle meydana gelen mikro yapıdaki değişikliklerin anlaşılması için yeterli metalürji bilgisi gerekir. Ergitme kaynağı ile birleştirilmiş tipik bir parça Şekil 65’de gösterilmiştir. Burada üç belirli bölge tarif edilebilir: a) ana metal, b) ısıdan etkilenen bölge ve c) kaynak metalini göstermektedir. İkinci ve üçüncü bölgelerin özellikleri ve metalürjisi kullanılan malzemenin cinsine, kaynak işlemine ve işlem değişkenlerine kuvvetle bağlıdır. Bileşimin metalürjik yapısı, kaynakta doldurma metali kullanıp kullanılmadığına bağlıdır. Doldurma metali olmaksızın elde edilen bir bağlantı otojen olarak isimlendirilir. Ergitme kaynağında ya esas metalden, ya da esas metal ve elektrot veya doldurma çubuğundan ergimiş bir metal banyosu meydana gelir. Bu banyo esas metal tarafından oluşturulan metal kalıp içinde tutulur ve genellikle çevredeki metal kütlesine göre çok küçüktür. Böylece proses, metalürjik olarak bir kalıp içinde az miktardaki ergimiş metalin bir dökümüdür. Metal belirli bir şekilde katılaşmak üzere sıvı hale getirilmekte fakat burada kalıp cidarının kaynak yapılacak parçalardan ibaret olması yani ergimeye iştirak etmesi zorluk çıkarmak tadır.
Şekil 65- Ark ve gaz kaynaklarında tipik bir kaynak bölgesinin karakteristikleri; ana metalin orijinal yapısı, ısının tesirinde kalan bölge ve kaynak metali
223 Metalürjik ve mukavemet özellikleri bu temel üzerine düşünülür ve izah edilebilir. Kaynağın ortasında sıvı durumdan katılaşmış kaynak metalinin oluşturduğu bir bölge vardır. Aslında bu bölge ana ve doldurma metallerinin karışımından ibarettir. Bileşim oranı kullanılan kaynak prosesine, birleşme çeşidine ve hazırlanan kaynak ağzına bağlıdır. Bu bölge kaynaktaki soğuma hızını yansıtan mikro yapılı bir dökme metaldir. Esas metalle aynı yapıya sahip olması mümkün olmayabilir fakat eşit ve yakın özellikleri döküm şartlarında taşıyan doldurma metalinin ilavesi, ana metalle bölgenin benzer özelliklere sahip olmasını sağlayabilir. Böylece seçilen doldurma çubuğu veya elektrot dökülmüş şartlarda ana metalle eşit özelliklere sahiptir veya daha iyi özellikler taşır. Isının uygulanması ve doldurma metalinin ilavesinden sonra ergimiş kaynak banyosunun soğuması sağlanır. Kaynak bölgesinde katılaşma sonrası tane yapısı, kaynak metalinin cins ve hacmine ve soğuma hızına bağlı olarak ince veya kaba ve eş eksenli uzun, ısı geçiş yönüne paralel kolon şeklinde (dentritik) tanelerden oluşur. Çoğu elektrot ve doldurma çubuğu bileşimleri ince eş eksenli taneler oluşturmaya meyillidir fakat kaynak metalinin hacmi ve soğuma hızı bu durumu kolayca değiştirebilir. Metaller havadan daha iyi ısı iletici olduğundan taneler kaynatılan plaka veya sacın düzlemine paralel büyürler (Şekil 66 a ). Sığ bir kaynakta oluşan taneler Şekil 66 b ve 67’de gösterilmiştir. Tane yapısı ve boyutu, özel alaşım, kaynak prosesi, kullanılan doldurma metali ve kaynak kalitesini iyileştirmek için katılaşma sırasında (eğer gerekli ise) uygulanan titreşime bağlıdır. Kaynak bölgesi esas olarak bir döküm yapısı olduğundan genellikle kaba bir taneye, düşük sertlik, çekme mukavemeti ve sünekliliğe sahiptir. Fakat kaynak metali bileşiminin kontrol edilmesi veya sonradan ısıl işlem uygulanmasıyla mekanik özellikler düzeltilebilir. Soğuma hızı kaynaktan önce kaynak bölgesinin ısıtılması (ön ısıtma) ile azaltılabilir.
Şekil 66 - a ) Derin ve b ) sığ kaynakta tane yapısı. Dikkat edilirse kaynak metalindeki taneler ana metal yüzeyine diktirler (b).
224
Şekil 67 - a ) Soğuk haddelenmiş nikel bir şerit üzerine lazer ışını ile yapılmış kaynak dikişi. b) a ‘da gösterilen dikişin mikrosertlik profili.
Ergitme kaynağı, gaz boşluğu, inklüzyon, hava delikleri, çatlaklar ve büzülme gibi dökümde meydana gelen hata ve problemlerin hepsine eğilimlidir. Genellikle ergimiş metal miktarı iş parçası toplam kütlesine oranla küçük olduğundan hızlı katılaşma ve soğuma meydana gelir. Bununla beraber ergimiş gazları, kimyasal segregasyonları, tane boyutu değişimini, tane şekli problemlerini ve yönlenme etkilerini önlemede yetersiz kalınabilir.
10. 1 - Isının Etkisi Altında Kalan Bölge
Bu bölge kaynak ve esas metal arasında kalan bölgedir. Kaynak metaline bitişik olan bu bölgede metal ergimez, ana metalin bir parçasıdır ve ısıl değişime maruz kaldığı için özellikleri ve yapısı giren ısı miktarına, soğumaya ve bölgenin ulaştığı sıcaklığa bağlıdır. Metal kaynağın başlangıcında yüksek sıcaklığa maruz kalır. Sıcaklık ve etkileme süresi bölgeye göre değiştiği için kaynak daha ziyade “döküm ve anormal değişen bir ısıl işlem” olarak tarif edilebilir. Bitişikteki ergimemiş metal, faz dönüşümleri, tane büyümesi, çökelmeler, gevreklik ve hatta çatlak gibi önemli değişimlere maruzdur. Metalürjik özelliklerine ilave olarak tane boyutu, tane yönlenmesi, soğuk şekillendirme derecesi, gizli ısı ve termal iletkenlik gibi fiziksel özellikler ısının etkisi altındaki bölgenin boyutu ve özelliklerini belirlemede önemli faktörlerdir. Termal şartlardaki bu değişim değişik özellikte mikro yapı ortaya çıkarır.
225 Isının etkisi altında kalan bölgenin mukavemeti kadar önemli etkenlerden biri de parçanın orjinal mukavemeti ve sertliğinin nasıl olduğudur. Bu, soğuk şekillendirme, katı çözelti, çökelme veya ısısal değişimler ile etkilenir. Bu mekanizmaların analiz edilmesi ve ana metalin şekillendirme prosesinin (mesela haddelenmiş) belirlenmesi gerekir. Kaynak ısısı soğuk şekillendirilmiş yapının ince uzamış tanelerini yeniden kristalleştirir. Karbonlu çeliklerde zayıf kaba perlit ve sert martenzit yapıya rastlanır. Isının tesiri altında kalan bölge ana metalin özelliklerine sahip olmadığı gibi, ergimediği için kaynak metalinin özelliklerine de sahip değildir. İş parçasının (esas metalin) kütlesine yakın taneler ince ve eş yönlenmiş taneler şeklinde kristalleşecektir. Fakat kaynak metaline yakın olanlar uzun zaman yüksek sıcaklığa maruz kaldığı için büyüyerek yumuşak ve düşük mukavemetli bir bölge oluşturacaklardır. Böyle bir kaynak bu bölgede zayıflayacak ve kaynak edilen şartlarda en zayıf bölge oluşacaktır. Kaynak bölgesinde belli hataların bulunduğu yerler hariç çoğu kaynak hatalarının başlangıcı ısının etkisi altında kalan bölgedir. Bu bölgenin dışında ana metal kaynak işleminden etkilenmez. Kaynaktan önce mukavimleşme mekanizmalarına tabi tutulmuş alaşımların ısı etkisindeki bölgelerine kaynak ısısının etkisi çok karışıktır. Yukarıda açıklandığı gibi kaynağın yapı ve özelliklerinin kompleks ve değişken olduğu görülmektedir. Fakat problemler çeşitli yollarla azaltılabilir veya giderilebilir. Bunun için bütün kaynak proseslerinin temel özellikleri bilinmelidir. Tablo 10, yaygın kaynak proseslerinden bazılarını ısı giriş oranına göre sınıflamaktadır. Düşük oranlı ısı girişi olan prosesler (yavaş ısıtma) metalde yüksek toplam ısı birikimine, yavaş soğumaya ve ısıdan etkilenen bölgenin geniş olmasına sebep olur. Yüksek oranlı ısı girişi olan prosesler düşük toplam ısıya, yüksek soğuma hızlarına ve dar ısıdan etkilenmiş bölgeleri oluştururlar. Isıdan etkilenen bölgenin boyutları, yüksek başlama sıcaklığı, düşük kaynak hızları, ana metalin artan termal iletkenliği ve ana metal kalınlığındaki azalma ile artacaktır. Isıdan etkilenen bölgenin boyutlarına kaynak geometrisi de etkilidir. Doldurma kaynaklarında alın kaynaklarına göre daha dar ısıdan etkilenen bölge oluşur. Kaynaktan sonra elde edilen sonuçlar uygun olmadığı zaman parçanın tamamı kaynaktan sonra ısıl işleme tabi tutulur. Bu değişimlerin çoğu böylece azaltılabilir veya giderilebilir. İlave olarak kaynakla imal edilen büyük ve karmaşık şekilli konstrüksiyonlarda ısıtma ve soğutmayı kontrol etmede zorluklar çıkabilir. Mikro yapıdaki değişimleri özellikle şiddetli değişimleri azaltmada diğer bir yol, kaynaktan hemen önce kaynak bölgesine yakın ana metali ısıtmaktır (ön ısıtma). Karbonlu çelikler için 93 - 204°C ön ısıtma sıcaklıkları uygundur. Bu yolla kaynak bölgesinin ve ısı etkisinde kalan bölgeye bitişik metalin soğuma hızı düşürülür. Böylece mikro yapıda küçük değişimler ve metalürjik gerilme kaynakları giderilir.
226 Eğer karbonlu çeliklerin karbon içeriği % 0.3’ten fazlaysa normal kaynakta oluşan soğuma, tedbir alınmadıkça sertleşmeye ve sünekliliğin azalmasına sebep olacak düzeydedir. Yüksek sertleşme kabiliyetleri dolayısıyla bu durum birçok alaşımlı çelikler için de doğrudur. Bu tür çelikler kaynatıldığı zaman ön ve son ısıtma işlemleri uygulanmalıdır. Bu sebeple, kaynak edilebilir düşük alaşımlı çeşitli çelikler ön ve son ısıtma yapılmaksızın kaynatılabildiklerinden fazla kabul görürler. Ergimenin az veya hiç olmadığı yerlerde ve dövme veya direnç kaynağındaki gibi ısınan metale basınç uygulanıyorsa kaynak ana malzemenin özelliklerinin bazılarım taşıyabilir. Isınma ve soğumanın birleşik etkisi şüphesiz dönüşümlere sebep olur ve ısıtma - soğutma çevrimine maruz kaldıkları için böyle metallerde meydana gelen değişimler kaynak prosesinin tabi sonucudur. Tablo 10 - Yaygın kaynak prosesleri için ısı giriş oranları
10. 2- Termal Gerilmeler
Kaynakla birlikte oluşan ısınma ve soğumanın diğer bir etkisi kalıcı gerilmelere sebep olmasıdır. Er- gitme kaynağında daha çok rastlanan iki tip kalıcı gerilme vardır. Çünkü bu tür proseslerde maksimum ısınma meydana gelir. İç gerilmelerin etkisi boyutsal değişim, çarpılma ve hatta çatlak olarak kendini gösterir. Artık kaynak gerilmeleri, termal genleşmeye direnç ve kaynaklanan parçalarda meydana gelen büzülme neticesi ortaya çıkar. Bunlar konstrüksiyonun diğer kısımlarına bitişik parçalardan veya herhangi bir yolla tutulmuş parçaların bulunup bulunmayışından bağımsız olarak meydana gelebilir. Artık gerilmelerin meydana gelme sebebi Şekil 68. a’da izah edilmiştir. Kaynak yapıldığında sıvı bölge kalıbın (kaynak ağzının) şeklini alır ve bitişikteki metal bölge ısınarak katı durumda genleşir. Kaynağa dik doğrultuda genleşme ergimiş banyo tarafından absorbe edilebilir fakat kaynak
227 hattına paralel genleşmeler soğutucu (c) bölgesinde kalan esas metal tarafından engellenir. Bu direnç ısıdan etkilenen bölgenin plastik deformasyonunu teşvik etmek için yeterli olabilir. Malzeme şişer ve uzun olacağına kalınlaşarak hacimde bir artış meydana gelir. Kaynak metali katılaştıktan sonra kaynak banyosu ve ısıdan etkilenen birleşik bölge soğur ve büzülür. Bu büzülmeye çevredeki soğuk metal tarafından direnç gösterilir. Soğuyan metal büzülmek ister fakat gerilme (uzama) şartlarında sınırlanır. Bu kalıcı (artık) çekme (gerilme) olarak bilinir (T bölgesi). Bitişik metal üzerindeki bu büzülme bölgesi tarafından ortaya konan kuvvetler artık basma olarak bilinen fışkırma meydana getirir. Kuvvet sıfır iken fizik ve mekaniğin temel kanunlarına göre, bölgesel kuvvetler esas alınabilir.
(a)
(b)
Şekil 68 - a ) Kaynakta iç gerilmelere sebep olan şartlar b ) Bir alın kayna tipik iç gerilme dağılımı
Termal büzülmeler, kaynağa paralel (boyuna) ve dik doğrultuda meydana gelir. Fakat çapraz gerilmeler esas metalin hareketi ile hafifletilir. Termal büzülmeler, kaynaktan sonraki soğuma ile kısılan kaynaklı bağlantılarda meydana gelir. Eğer esas metalin hareketi sınırlı ise reaksiyon gerilmeleri olarak bilinen gerilmelerde oluşabilir. Reaksiyon gerilmelerinin büyüklüğü kaynak bölgesi ile en fazla rijit olan bölge arasında malzemenin uzunluğunun bir fonksiyonudur. Esas metalin akma gerilmesini asla geçmemeli ve genel olarak kaynağa paralel gerilmelerin büyüklüğünden az olmalıdır (nadiren çeliklerde 10.3 MPa olabilir). Boyuna gerilmeler kaynak metalinde maksimum ve esas plakanın akma mukavemetinin biraz üzerindedir. Metalin kalınlığına ve kaynak metalinin cins ve miktarına bağlıdır. Mesela 25.4 mm’lik yumuşak çelik plakanın ergitme alın kaynağında (221 MPa’lık bir akma mukavemetine sahip) boyuna gerilmeler 331 MPa’lık maksimum bir değere sahiptir. Bu gerilmeler kaynak metali yaklaşık 359 MPa’lık bir akma mukavemetine sahip olduğundan (Plakadan daha kuvvetli olacak şekilde dizayn edildiği için) plakanın akma gerilmesinden daha büyük olabilir.
228 Plaka ve kaynak metalinin bir karışımı şeklinde meydana gelen kaynak dikişi saf kaynak metali (doldurma metali) ve ham metal plakanın özellikleri arasında bir özelliğe sahiptir. Boyuna gerilmeler kaynak bölgesinden uzaklaştıkça azalır ve düşük değerde basma gerilmeleri oluşur (33.5MPa’ı geçmeyen). Şekil 68.b, bir ergitme alın kaynağındaki artık gerilmelerin tipik dağılımını göstermektedir. 10. 2. 1- Termal Gerilmelerin Etkileri
Kaynak sonrasında gelişen termal gerilmelerin etkisi daha ziyade yanlış anlaşılır. En belirgin netice, dengelenmemiş gerilmelerin sebep olduğu çarpılmalardır. Şartlar çok değişik olduğu için çarpılmadan sakınmak hususunda belli bir kural verilemez ancak birçok yol uygulanabilir. Genelde kaynak sırasında plakaya mümkün olduğu kadar çok serbestlik sağlayacak bir dizayn kullanılmalıdır. Eğer mümkünse, serbest olan tarafa doğru kaynak yapmak faydalıdır. Alternatif olarak, meydana gelen çarpılma plakaları istenen şekilde bıraksın diye plakalar önceden ayarlanmalıdır. Diğer bir yaygın yol, plakalarda veya soğuyan kaynak metalinde plastik akmayı biraz teşvik etmektir. Bu yol daha çok küçük kaynak konstrüksiyonlarında kullanılır. Önceden belirlenmiş bölgelerde kaynak metalini biriktirerek artık termal gerilmeleri dengelemek diğer bir çözüm yoludur. Çarpılma genellikle, kaynaktaki artık çekme gerilmelerini bastırmak için kalıcı yüzey basma gerilmeleri oluşturan çekiçleme ile minimuma indirilebilir. Çok pasolu kaynakların her bir pasosu, ilk ve son pasolar hariç, küçük bölgesel plastik akmaya sebep olmak ve böylece ihtiyaç duyulan hareketi teşvik etmek için bir dövme takımı ile çekiçlenir. Keskin ve iç köşeler gibi geometrik çentikler kaynak yapılarında genellikle problem yaratır. Uygun dizayn rijitliği ve geometrik çentikleri azaltabilir. Gaz sıkışmaları, kaba yüzeyler, boşluk ve elektrot yapışması gibi diğer zararlı çentikler kaynak hataları için başlama noktaları gibi davranabilir. Fakat uygun kaynak tarzları, iyi işçilik, uygun denetim ve kontrol yaparak bu gibi mahsurlardan sakınılabilir. Artık gerilmeler kaynak bölgesi işlendiği zaman ilave çarpılmaya sebep olabilir. Neticede kaynak işleminden önce ısıl işlem uygulanması gerekir. Reaksiyon gerilmeleri, sisteme uygulanan yükler üzerinde bir gerilme sistemi meydana getirir. Bu gerilmeler fazla miktarda çarpılmalara sebep olurlar. Fakat bunların daha çok rastlanan etkisi kaynak soğuduğu zaman veya kaynak sırasında çatlak oluşturma meyilleridir. Bu durum, özellikle kaynak boyuna çapraz meydana gelen çekmelerin sınırladığı şartlar altında kaynak yapıldığı zaman ortaya çıkar. Daha ziyade çok pasolu kaynaklarda büzülme gerilmelerini karşılamak için metal yetersiz olduğu zaman ilk pasoda meydana gelen bir çatlak şeklinde ortaya çıkar. Eğer çatlağın ilerlemesi belirlenemez ve tedbir alınamazsa ciddi tehlikeler ortaya çıkarır. Sınırlı şartlar altında kaynak yapılmak zorunda olunduğu zaman kaynağın her iki tarafında 20- 25
229 mm mesafedeki bitişik metali önceden ısıtmak bu tip çatlakları gidermede iyi bir pratik yoldur. Bu tür ısıl işlemler artık gerilmeleri azaltan iyi bir mikro yapı sağlayarak parçanın performansını arttırır. 10.2.2- Gerilme Giderme
Kaynaklanmış parçaları uygun sıcaklık ve sürede tavlayarak iç gerilmelerin sebep olduğu problemlerden kaçınmak mümkündür. Gerekli sıcaklık ve zaman malzemenin cinsine ve gerilmenin büyüklüğüne bağlıdır. Bu değerler malzemenin mukavemetini azaltmayacak mevcut özelliklerini koruyacak şekilde seçilmelidir. Büyük parçalarda bölgesel gerilme giderme uygulanabilir. Bu durumda bölgeyi uygun bir sıcaklığa getirmek için kapalı tüpler bir fırın olarak kullanılabilir. Böylece kısmi gerilme giderme tekniği de kullanılabilir. Bu durumda kaynağın hemen çevresi gerilme giderme işlemine tabi tutulur. Gerilme giderme, titreşim ile de yapılabilir. Bu sırada kaynaklı parça rezonans frekansta titreştirilir. Nispeten yeni teknik olup neticeleri kesin değildir (bu teknik kaynak kalitesini arttırmak için işlem sırasında uygulanan teknikle karıştırılmamalıdır). Diğer bir gerilme giderme metodu kaynak bölgesini dövmek veya haddelemektir. Bunlar bir plastik deformasyon işlemleridir ve basma gerilmelerine sebep olurlar. Böylece kaynaktaki aşırı çekme gerilmeleri azaltılır. Çok pasolu kaynaklar için dövme etkisinin sebep olabileceği herhangi bir zarardan dikişleri korumak için ilk ve son pasoların dövülmesi tavsiye edilir. İç gerilmeler parçanın çok az plastik deformasyonu ile azaltılır veya giderilebilir. Bu teknik basınçlı
kaplar
gibi
bazı
kaynaklı
parçalarda
hidrostatik
basınç
uygulayarak
gerçekleştirilebilir. Yüksek iç basınçlar altında kırılma (yırtılma) ihtimalini azaltmak için kaynağın düzenli yapılmış olması, çentik ve süreksizliklerin olmaması gerekir. İç gerilmeli çarpılmalardan parçaları ön ısıtmaya tabi tutmak suretiyle kaçınılabilir. Bu işlem soğuma hızı ve termal gerilmelerin seviyesini (elastiklik modülünü) azaltarak kaynak kabiliyetini arttırır ve aynı zamanda büzülme ve çatlakları azaltır. Isıtma, bir fırın, elektriki veya indüksiyon yoluyla, ince parçalar ısı yayan lambalar veya sıcak hava yastıkları ile ısıtılarak gerçekleştirilir. Optimal bir sonuç için ön ısıtma sıcaklığı ve soğuma hızı kaynaklı parçanın mukavemet ve sağlamlılığının devamlılığını sürdürmek için dikkatle kontrol edilmelidir. Yukarıda açıklanan işlemler ergitme kaynağına ait olmasına rağmen direnç kaynağı gibi çeşitli kaynak proseslerinde de iç gerilme ve çarpılmaların kontrolü aynı yollarla yapılabilir.
230 10.2.3-Kaynak Hataları
Termal çevrim (ısıl değişim) ve meydana gelen metalürjik değişildiklerin tabiatı sebebiyle kaynak bağlantılarında hata ve süreksizlikler gelişebilir. Bunlar aşağıda kısaca açıklanmıştır. Gözenekler: Gözeneklere kaynak sırasında sıkışmış hava veya katılaşma sırasında oluşan gazlar sebep olur. Çoğu kaynaklı birleştirmeler genel olarak küresel şekilli veya uzun boşluklar şeklinde bazı gözeneklere sahiptirler. Gözeneklerin dağılımı rasgele veya kaynak bölgesinde belirli bir yerde toplanmış olabilir. Gözenekler, dezoksidan elementlerle gazların kaçmasına imkan sağlamak için ergimiş kaynak metalinin akıcılığını arttırarak kontrol edilebilir. Çatlaklar olmadıkça, malzeme kırılgan veya yorulmaya maruz değilse boşluklar zararsızdır (Şekil 69).
Şekil 69- Kaynakta ergime hataları. Dış hatalar gözle görülebilirken iç hataların belirlenmesi özel teknikler gerektirir.
Cüruf birikintileri: Oksitler, tozlar ve elektrot örtü malzemeleri gibi maddeler kaynak bölgesinde sıkışır. Koruyucu gazlar etkili değilse çevresel kirlilikler de bu birikintilere eklenir. Çok pasolu kaynak işlemlerinde bir sonraki paso çekilmeden önce dikiş üzerindeki cürufun temizlenmesi gerekir. Kaynak şartları cüruf oluşturmada önemli bir role sahiptir. Yetersiz ergime : Ergime eksikliği veya yetersiz ergime ana metalde gerekli sıcaklığa ulaşılamamış olması, oksitlerin bulunuşu ve kaynaktan önce kaynak bölgesinin yeterince temizlenmemiş olması gibi birçok sebeplere bağlıdır (Şekil 70). Nüfuziyet yetersiz olursa bağlantı yeterli derinlikte kaynatılamaz bu ise düşük ısı girişi ve yüksek kaynak hızıyla ortaya çıkar.
231 Kaynak profili : Kaynak profili sadece kaynak mukavemetine etkisi sebebiyle değil aynı zamanda eksik ergime veya çok pasolu kaynakta cüruf birikintileri üretilmesi sebebiyle de önemlidir. Alt kesilme, ana metalin uzağında ergime ve müteakiben keskin köşe ve çentik şeklinde bir oyuğun oluşması neticesinde meydana gelir (Şekil 64). Bu köşeler bir gerilme kaynağı gibi davranır ve yorulmayı hızlandırdığı gibi kaynaklı bağlantıların zamanından önce tahrip olmasına sebep olur.
Şekil 70- Kaynakta eksik ergime örnekleri, Bu tür hatalar kaynağın mukavemetini düşürür. Bu yüzden kaynağın muayenesi, özellikle kritik uygulamalarda, önemlidir. Dikişin her 25mm’de çeşitli tekniklerle muayene edilmesi gerekir.
Çatlaklar: Kaynak bölgesinde ve çeşitli bölgelerde meydana gelir (Şekil 71). Bunların birçok sebepleri vardır. Genel olarak farklı sıcaklık dağılımı, kaynak alanında değişik bölgelerin kompozisyonu ve kükürt gibi belli elementlerin birikimi ve katılaşma sırasında ana metalden kaynak metaline doğru hareket eden katı sıvı sınırı gibi sebepler sayılabilir. Hidrojen de özellikle yüksek karbonlu ve alaşımlı çeliklerin kaynağında gevrekliğe ve çatlamalara sebep olabilir. Hidrojenin genel kaynağı, kaynak elektrotları ve kaynak sırasında oluşan su buharıdır. Soğuma sırasında kaynak metalinin büzülmesinin sınırlanması (termal gerilme) da çatlaklara sebep olur. Bu durum dökümde gelişen sıcak yırtılmalara benzer.
232
Şekil 71- Kaynaklı bağlantılarda gözlenen çatlak tipleri. Bu çatlaklar, kaynak dikişinin katılaşması sırasında gelişen termal gerilmeler sebebiyle oluşur. Ayrıca bir yapının iki bileşeni arasında da meydana gelebilir. Bu tür çatlakların sebebi, rijit olarak tutulan iki yüzey arasındaki dikişin soğuma sırasında serbestçe büzülememesidir.
İç Gerilmeler : Kaynak işleminde bölgesel ısınma ve soğumadan dolayı kaynak alanının genleşme ve büzülmesi iç gerilmelere sebep olur. Kaynak gerilmelerinin tipi ve dağılımı Şekil 72’de gösterilmiştir. İki plaka kaynak edildiği zaman uzun ve dar bölge (a - b) yüksek sıcaklıklara maruzdur. Halbuki plakanın kendisi esas olarak ortam sıcaklığındadır. Kaynak tamamlanıncaya kadar belli bir süre geçtiği için kaynak bölgesi (a - b) soğurken bölgeden plakalara ısı geçer. Kaynak bölgesi boyu, soğuma nedeniyle büzülürken plakalar ısınmadan dolayı boylamasına genleşir. Bu iki zıt etki Şekil 72’de gösterildiği gibi termal gerilmelere sebep olur. Plakalarda yoğunlaşan iç gerilmelerin büyüklüğü kaynak bölgesinden uzak bir noktada sıfır olur. Kaynaklanmış plakalar üzerinde dış kuvvetler olmadığı zaman bu gerilmelerin sebep olduğu basma ve çekme kuvvetleri birbirini dengelemelidir. Karmaşık kaynaklanmış yapılarda iç gerilme dağılımı üç boyutlu olduğundan analizi zordur. Yukarıdaki örnek sınırlanmamış iki plakayı kapsar. Bir başka deyişle geniş bir yapının bir parçası değildir. Eğer plakalar sınırlanırsa (genleşme engellenirse) şekildekiler gibi bu iki plakanın sınırlarının serbest genleşme veya büzülme yapmaması sebebiyle iç gerilmeler meydana gelir. Elemanların serbest hareketine müsaide etmediğinden bu durum yüksek mukavemetli yapılarda özellikle artar. İç gerilmeler şu durumlara sebep olabilir.
233 1 - Kaynaklanmış parçaların çarpılması, şekil değiştirmesi ve burkulmasına, 2 - Gerilmeli korozyon şartlarına, 3 - Eğer kaynaklı yapının bir kısmı işleme yoluyla giderilmişse aşırı çarpılmalara sebep olabilir. Çeşitli çarpılma örnekleri Şekil 73’de gösterilmiştir. İç gerilmelerin, kaynaklı parçaların yorulma ömürlerinde önemli bir etkiye sahip olup olmadığı kesinlik kazanmamıştır. Fakat yukarıda açıklandığı gibi muhtemel hata ve süreksizliklerin bulunuşu sebebiyle yorulma dayanımında azalma beklenir.
Şekil 72- İki plaka arasında düz bir kaynakta gelişen boyuna iç gerilmeler
Şekil 73- Kaynaklanmış farklı parçaların farklı termal genleşme ve büzülmesi yüzünden kaynaktan sonra parçalarda meydana gelen çarpılmalar. Çarpılma, parçaları kaynak sırasında işkence veya benzer bağlayıcılarla sıkıca tutarak ve müteakip oda sıcaklığına kadar soğutarak azaltılır veya elimine edilebilir.
234 11- KAYNAK KABİLİYETİ
Açıklanan kaynak yöntemleri için kaynak kabiliyetini belirlemek ve tarif etmek oldukça zordur. Genel olarak bir metalin kaynak kabiliyetinin tarifi, o metalin, görevini yapmak için belli özellikler ile sağlam bir yapı verecek şekilde kaynak edilebilme kabiliyeti şeklinde yapılabilir. Bir prosesle kaynak yapılan bir metal diğer bir yöntemle yapılamayabilir. Kaynak edilebilmek için değişkenler çok çeşitlidir. Mesela alaşım elemanları, safsızlıklar, mikro yapı, yöntemin tabiatı ve gazlar gibi ana metalin metalürjik etkenleri birer faktör olarak ortaya çıkar. Böylece faz diyagramı ile ilgili bilgiler ve belli bir zaman aralığında metalin yüksek sıcaklığa tepkisi esas olmaktadır. Kaynak kabiliyetine etkileri olan mekanik ve fiziksel özellikler; sertlik, mukavemet, elastiklik modülü, süneklilik, çentik hassasiyeti, özgül ısı, ergime noktası, termal genleşme, yüksek sıcaklıklarda yüzey gerilme özellikleri ve korozyondur. Yüzey oksit tabakasının cinsi ve özellikleri , yüzeyde ergimiş gazlar etken olduğu için yüzey hazırlama önemlidir. Özel kaynak işlemleri, gerekli sıcaklık ve bu sıcaklığın kaynak bölgesindeki dağılımı ile ilgili önemli etkiye sahiptir. Operasyona ait diğer etkenler; koruma tozları(örtü) ve doldurma metalleri (elektrot üzerindeki örtünün ihtiva ettiği nem), kaynak hızı ve pozisyonu, soğuma hızı, ön ve son ısıtma ile uygulanan kaynak teknikleri ve meydana gelen sıcaklıktır. Tecrübeli her kaynakçı, tamamen hatasız bir kaynak yapmanın mesela her tip çelik için kolay olmadığını gayet iyi bilir. Bazıları için de, hiçbir güçlüğün olmamasına rağmen, hatalardan arı, tatminkar bir kaynak kalitesinin sağlanması bakımından özel tedbirler ihtiyaç vardır. İşte bu halde kaynak kabiliyetinden bahsedilebilir. 11.1. Ergitme kaynağında kaynak kabiliyeti
Kaynak kabiliyeti her ne kadar kesin ve kantitatif ifade edilebilen bir özellik değilse de, çok karışık bir anlam taşır. Milletlerarası Kaynak Enstitüsü’nün (IIW-IIS) “IX numaralı “Kaynak Kabiliyeti” Komisyonu, kaynak kabiliyetini şöyle tarifler: “Bir metalik malzeme, verilen bir usul ile bir maksat için, bir dereceye kadar kaynak yapılabilir diye kabul edilir. Uygun bir usul kullanarak kaynaklı metalik bağlantı elde edildiği zaman, bağlantı yerel özellikleri ve bunların konstrüksiyona tesirleri bakımından tayin edilmiş bulunan şartları sağlamalıdır.”
235 Bu tariften anlaşılacağı üzere, kaynak kabiliyeti yalnız malzemeye bağlı bir özellik değil, aynı zamanda kaynak usulüne ve kaynak konstrüksiyonuna da bağlıdır. Bir metal veya alaşım, bir kaynak usulünde, gayet iyi derecede bir kaynak kabiliyeti göstermesine rağmen, diğer bir usülde çok zayıf bir kaynak kabiliyetine sahiptir. Yüksek derecede kaynak kabiliyetine sahiptir denildiği zaman, bu kaynak şartları geniş bir aralıkta hiçbir tedbire başvurmadan tatminkar bir kaynak kalitesinin elde edilebileceği anlamına gelir. Düşük derecede kaynak kabiliyetinden de, tatminkar bir netice alabilmek için özel tedbirlere ihtiyaç olduğu ve kaynak şartlarının çok dar limitler arasında tutulmasının gerektiği anlamı çıkar. Kaynak kabiliyetinin derecesini belirten özellikler çeşitli çelik tipleri için değişir. Mesela bir çok tiplerde, en önemli faktör, iyi mekanik özelliklerin elde edilmesidir. Fakat ostenitik tip paslanmaz çeliklerde kaynak kabiliyeti derecesi, ısının tesiri altında kalan bölgenin (ITAB) korozyona karşı dayanıklılığının azalmasıdır. Pratikte “iyi kaynak edilir”, “kaynak edilir”, “şartlı olarak kaynak edilir” deyimleri vardır. Bunların anlamı ise çelikler için şudur: a- İyi kaynak edilir
İyi kaynak edilir deyiminden, hiçbir ön ve nihai tavlama uygulamadan parçanın kaynak edilebileceği anlamı çıkar. b- Kaynak edilir
Kaynak yapılabilen malzemenin kalınlığı arttıkça, ön tavlamaya ihtiyaç vardır. Bu halde de kaynak edilir deyimi sözkonusudur. c- Şartlı olarak kaynak edilir
Bu durumda kaynak edilen malzemenin ya karbonu fazladır, yada bileşiminde çeşitli alaşım elemanları vardır. Mesela hafif alaşımlı yüksek mukavemetli çelikler gibi. Dolayısı ile geçiş bölgesinde bir sertleşme ve çatlama meydana gelir. işte bunun içindir ki, bu tip malzemeyi kaynak ederken özel tedbirlere ihtiyaç vardır ve bu tedbirler alınırsa, ancak o malzeme kaynak edilir. Bu halde de şartlı olarak kaynak edilebilir deyimi geçerlidir. Şartlı olarak kaynak edilirken, ilk şart bir ön tavlama, sonra da kontrollü soğumadır.
236 Yapı çeliklerinin kaynağında, kaynağın neticesine tesir eden en önemli faktör, esas metalin bileşimidir. Bilhassa karbon ve manganez alaşımsız çeliğin kaynak kabiliyetini etkileyen başlıca iki elemandır. Karbonun kaynak kabiliyeti bakımından
alaşımsız çeliklerin
bileşimindeki, maksimum miktarı hakkındaki görüşler biraz farklıdır. Mesela, İsveç’te gazı alınmış çeliklerde maksimum karbon miktarı olarak % 0.25 ve gazı alınmamış çeliklerde ise % 0.22’ye kadar müsaade edilmektedir. Diğer taraftan Amerika Birleşik Devletleri’nde, bu sınır % 0.30’a kadar çıkmakta ve daima bir ön tavlamaya da gerek görülmektedir. Alaşımsız yapı çeliklerindeki manganez miktarı, bileşimde bulunan karbon miktarına bağlı olarak değişir. Genel olarak karbon miktarı arttıkça, manganez azalır ve aşağıdaki” karbon eşdeğeri” formülü dikkate alınır :
Ceş = C% −
Mn % 6
( 10 )
Hafif alaşımlı ve yüksek mukavemetli çeliklerde, karbon ve manganezden başka diğer elemanların da geçiş bölgesinde sertleşme ve çatlak teşekkülü üzerine tesirleri vardır. İşte bu alaşım elemanları belirli bir nispet dahilinde, bileşimdeki karbon (burada manganez de göz önüne alınarak) miktarına eklenir ve neticede karbonun etkisine benzer şekilde müteala edilir. Elde edilen bu yeni değere de “karbon Eşdeğeri” denir. Mesela (IIW-IIS’e göre):
Ceş = C +
Mn Cr + Mo + V Ni + Cu + % gibi + 6 5 15
( 11 )
Bir yapı çeliğine uygulanacak gerekli ön tavlama sıcaklığı, karbon eşdeğerine göre aşağıda verilmiştir: Tablo 11- Bir yapı çeliği için karbon eşdeğerlerine göre uygulanacak ön tavlama sıcaklıkları
Karbon eşdeğeri (%) Ön tavlama sıcaklığı (oC) 0,45’e kadar
Gerek yoktur
0,45-0,60 arası
100-200
0,60’dan yukarı
200-350
237 11.2. Elektrik direnç kaynağında kaynak kabiliyeti
Elektrik direnç kaynağında birleştirilecek parça, malzemenin cinsine göre az veya çok olmak üzere büyük bir özgül direnç gösterir. Elektrik akımının geçişinde de parça, gösterdiği bu elektrik direnci dolayısı ile ısınır. Ohm kanununa göre, parçada dönüşen elektrik gücü aşağıdaki formülle ifade edilir. Ns = I2.R
( 12 )
Burada, Ns = Kaynak yerinde dönüşen güç I = Kaynak yapılan parçadan geçen akım şiddeti (kaynak akım şiddeti) R = Kaynak yapılan parçanın direncini gösterir. Bu ifadeden, elektrik direnç kaynağındaki, kaynak kabiliyetinin malzemenin cinsine bağlı olduğu görülür. Mesela, elektrik iletkenliği yüksek olan bir malzeme, elektrik iletkenliği düşük olan bir malzemeye nazaran daha kötü bir kaynak kabiliyetine sahiptir denilebilir. Fakat, elektrik direnç kaynağındaki kaynak kabiliyetinin tanımlanması için, malzemenin yalnız elektrik iletkenliğinin yanında, malzemenin ısı iletkenliği ile erime noktasına da gerek vardır. Isı iletkenliği yüksek olan bir metal veya alaşımın kaynağı ısı iletkenliği düşük olan bir metal veya alaşıma nazaran daha zordur. Diğer taraftan erime noktasının yüksekliği de daha fazla enerjiye ihtiyaç gösterdiğinden, kendini hemen belli eder. Malzemenin elektrik iletkenliği, ısı iletkenliğini ve erime noktasını dikkate alırsak, elektrik direnç kaynağındaki kaynak kabiliyeti faktörü aşağıdaki ampirik formülle verebiliriz: S=
10 4 α.λ.t e
Burada, S = kaynak kabiliyeti faktörü α = Elektrik iletkenliği (m/Ωmm2) λ =Isı iletkenliği (Cal/cm.s.oC) te= Erime noktasını (oC) göstermektedir.
( 13 )
238 Bu formül ile hesaplanan kaynak kabiliyeti faktörüne göre, elektrik direnç kaynağındaki kaynak kabiliyetinin durumu, aşağıda belirtilmiştir: Tablo 12- Kaynak kabiliyeti faktörlerine karşılık gelen kaynak kabiliyeti durumları
Kaynak kabiliyeti faktörü Kaynak kabiliyetinin durumu 0,25’e kadar
Kötü
0,25-0,75 arası
Yeterli
0,75-2,0
İyi
2,0’dan yukarı
Çok iyi
Tablo 13’de, bazı metallerin fiziksel özellikleri ile kaynak kabiliyeti faktörleri değişimi; Tablo 14’de ise, kaynak kabiliyetine bilhassa alaşım elemanlarının etkisi açık bir şekilde görülmektedir. Mesela, saf bakırın kaynak kabiliyeti (S= 0.18) çok kötü iken, bir bakır alaşımı olan pirincin kaynak kabiliyeti çok iyidir (S=3.2).
Tablo 13-Bazı metallerin fiziksel özellikleri ile kaynak kabiliyetinin değişimi Metaller
Elektrik iletkenliği 2
Isı iletkenliği o
Erime noktası
Kaynak kabiliyeti
Kaynak kabiliyeti
o
(m/Ωmm )
(Cal/cm.s. C)
te ( C)
(S)
durumu
Alüminyum
35
0,53
659
0,79
İyi
Demir
10
0,16
1530
4,1
Çok iyi
Altın
45
0,74
1063
0,28
Yeterli
Kobalt
11
0,17
1490
3,6
Çok iyi
Bakır
56
0,94
1083
0,18
Kötü
Magnezyum
22
0,41
650
1,7
İyi
Molibden
21
0,33
2620
0,55
Yeterli
Nikel
11
0,21
1453
3,0
Çok iyi
Platin
9
0,17
1770
3,7
Çok iyi
Gümüş
62
1,10
960
0,15
Kötü
Tantal
65
0,13
2850
4,1
Çok iyi
Titan
1,85
0,041
1660
79,0
Çok iyi
Tungsten
18
0,40
3380
0,41
Yeterli
239 Tablo 14- Bazı alaşımların fiziksel özellikleri ile kaynak kabiliyetinin değişimi Alaşımlar
Elektrik iletkenliği 2
(m/Ωmm )
Isı iletkenliği o
(Cal/cm.s. C)
Erime noktası o
te ( C)
Kaynak kabiliyeti (S)
Kaynak kabiliyeti durumu
Karbonlu çelik
6,0
0,12
1490
9,3
Çok iyi
Ostenit
3,5
0,005
1420
40,0
Çok iyi
Magnezyum alaşımları
16,0
0,28
620
3,6
Çok iyi
AlMg3
20,0
0,37
625
2,2
Çok iyi
AlMg4
16,5
0,28
605
3,6
Çok iyi
AlMn
25,0
0,41
645
1,5
İyi
AlMgCu
27,5
0,37
590
1,7
İyi
AlMgSi
31,0
0,42
620
1,2
İyi
Çinko alaşımları
17,0
0,25
400
5,9
Çok iyi
Alüminyum alaşımları
22,0
0,37
610
2,0
İyi
Tablo 15’de bir çok metal ve alaşımlar için önerilen kaynak metotları verilmiştir. Kaynaklanmış bağlantıların test ve denetimi için standartlar ve kodlar geliştirilmiştir. Tahribatsız teknikler arasında göz, radyografi, magnetik parçacık, sıvı penetrant ve ultrasonik test metotları sayılabilir. Tablo 16’da izlenebileceği gibi bu tekniklerin her biri belirli kapasite, hassasiyet, sınırlama ve özel ekipmanla birlikte operatör ustalığı gerektirir. Tahribatlı testler kaynak yapıldıktan sonra uygulanan çekme, eğme, çarpma, yorulma ve yırtılma gibi testleri kapsar. ASTM ve diğer standartlarda belirli kodlar mevcuttur.
240
Tablo 15 - Kaynak ve Birleştirme işlemleri için genel bir kılavuz (AWS)
241
Tablo 15- devamı.
242 Tablo 16- Kaynak İşlemlerinin Genel Karakteristikleri
Tablo 15 ve 16’daki kodlar KAL.- Kalınlık, NAK - Normal Ark Kaynağı, TAK - Tozaltı Ark Kaynağı, ÖAK - Özlüelektrot Ark Kaynağı, TIG -Tungsten Inert Gazkaynağı, PAK - Plazma Ark Kaynağı, ECK - Elekrocuruf Kaynağı, RK - Rezistans Kaynağı, FK- Flaş Kaynağı, OAK - Oksi - Asetilen Kaynağı, DK - Difüzyon Kaynağı, SK - Sürtünme Kaynağı, EIK - Elektron Işın Kaynağı, LIK - Lazer Işın Kaynağı, TL - Torkla Lehimleme , FL - Fırında Lehimleme, EL Endüksiyonla Lehimleme, RL - Rezistansla Lehimleme , DL - Daldırma Lehimleme, İL - İnfrared Lehimleme, DFL - Difüzyonla Lehimleme, YL - Yumuşak Lehimleme, Kısaltmalar ve Metal kalınlıkları: s-Sac, 3 mm’ye kadar
o- Orta, 3-6 m
ok-Orta kalın, 6-19 mm,
k-Kalın, 19 mm ve daha kalın
243 12- YAPIŞTIRMA (ADHESİV BAĞLAMA) 12. 1 – Giriş
Yapıştırmada güvenirlilik, kullanım ve gelişme açısından önemli ilerlemeler sağlanmıştır. Prosesin kullanımı özellikle Otomotiv ve havacılık gibi kritik uygulamalarda hızlı bir şekilde artmaktadır. Kullanılan yapıştırıcılar termoplastik, termosetting reçineler, birçok suni elastomerler ve bazı seramiklerdir. Metal ve metal olmayan malzemeler çok iyi bir şekilde yapıştırılabilirler. 12.2- Yapıştırma Malzemeleri ve Özellikleri
Yapısal adhesivler birçok bileşenli kompozit sistemler olup sıvı, pasta, katı, film ve bant şeklinde bulunurlar. Yaygın kullanılan yapıştırıcılar aşağıdaki grupları kapsarlar. 1 - Epoksiler : Bunlarda bağlama sistemleri reçine ve fermantasyon yapıcı katkı maddeleri ihtiva eder. Bir bileşenli epoksiler yüksek mayalanma sıcaklığı gerektirirlerken iki bileşenliler genellikle oda sıcaklığında mayalanırlar. 2- Siyanoakrilitler: Bunlar yüzeyler arasına püskürtüldüklerinde polimerize olan tek moleküllü sıvı halindedirler. Böylece oda sıcaklığında mayalanan tek bileşenli sistem sağlanır. Piyasadaki süper yapıştırıcılar bunların bir çeşididir. 3 - Anerobikler: Bu tek bileşenli, oda sıcaklığında mayalanan polyester akrilikler havada sıvı halde kalır fakat oksijenden uzaklaştırıldığında hızlıca mayalanır (yapıştırılacak bir bağlantıdaki gibi). Lastikle muamele edilmiş anerobikler mayalanma operasyonu hızlanırken fena koku çıkarırlar, yanabilirler ve toksittirler. Yağlı yüzeylerde dahil, hemen hemen her malzeme yapıştırılabilir. 4- Akrilikler : Bunların çoğu, birleştirilecek yüzeylere ilk olarak birincil katalizör sistemler için uygulanır. Sonra yapıştırıcı uygulandığı zaman anerobik gibi davranır ve oda sıcaklığında kuvvetli bir termoset bağ oluşturur (ısıtıldığında daha hızlı). 5- Üretan veya poliüretanlar: Bunlarda hem bir kısım termoplastik ve hemde iki kısım termosetting sistemler mevcuttur.
244 6- Silikonlar : Bunların conta özellikleri nedeniyle bu amaçla kullanılmaları yanında bu malzemeler düşük mukavemetli yapısal birleştirmeleri yapabilirler. 7- Yüksek sıcaklık yapıştırıcıları : 250 °C’nin üzerindeki sıcaklıklarda mukavemet gerektiren yerlerde epoksifenoliks, tadil edilmiş silikon veya fenolikler, polyamidler veya seramikler kullanılır. 8- Sıcakta ergiyen yapıştırıcılar: Yapısal adhesivler genel olarak düşünülmediği takdirde bu malzemeler parçalar arasındaki yükü taşımak için artan bir şekilde kullanılmaktadır. Bunlar oda sıcaklığında katı olan fakat ısıtıldığında sıvı olan termoplastiklerdir. Bunlar genellikle ısıtılmış sıvı olarak uygulanırlar ve ergimiş yapıştırıcı soğuduğunda bir bağ oluşur. Tablo 17, bazı popüler yapısal adhesivler ile bunların çalışma, mayalanma sıcaklıkları ve muhtemel dayanımlarını listelemektedir. 12. 3- Birleşme Dizaynı ve Hazırlama
Yapıştırılmış bağlantılar sürekli yüzey veya öz yüzeyli olarak sınıflandırılır. Sürekli yüzey bağlarında yapışmış iki yüzey alanı da nispeten geniş ve aynı boyut veya şekildedir. Yüzeye öz olan bağlantılar, diğerleriyle karşılaştırıldığında çok küçük yapışmış bir alana sahiptirler (yüzey saclarına hafif bal peteği şeklinde öz yapılı bağlantılardaki gibi). Bağlanmış bir birleştirmede maruz kalınacak gerilme tipleri dikkate alınmalıdır. Şekil 74’de gösterildiği gibi bunlar çekme, kesilme, soyulma ve ayrılma gerilmeleridir. Çünkü, Tablo 8’de işaret edildiği gibi adhesivlerin çoğu soyulma ve yorulma açısından çok zayıftır. Bu şekilde yapışmış alanların hepsi bir kuvvet çiftiyle kesilmeye çalışır. Yaygın adhesivlerin bazılarının bindirmede kesme mukavemetleri oda sıcaklığında 13.8 - 41.4 MPa ve çekme gerilmeleri 4.14-8.28 MPa arasındadır. Böylece bu durum bindirmede niçin kesme mukavemetini dikkate alacak şekilde dizayn yapılması gerektiğine işaret etmektedir. Şekil 75, yaygın olarak kullanılan bağlantı tiplerinin bazılarını göstermektedir. Yapışma alanını arttırarak mukavemet de arttırılabilir. Yapıştırmalı birleştirmede iyi ve kaliteli bir bağ elde etmek için yüzeylerin uygun şekilde hazırlanması, standartlara uyulması uygun ve hızlı kontrollerin yapılması esastır. Bu konuda dört safhalı bir yol izlenir: 1 - Temizleme : Bütün kirlilikler ve yağ giderilmelidir. 2- Dağlama: İyi bir yapışma ve maksimum ıslatma özelliği sağlamak için yüzeyler kimyasal olarak istekli duruma getirilmelidir. 3 - Durulama 4 - Kurutma
245 Püskürterek veya fırçayla bir veya iki kat düşük viskoziteli bir aktivasyon maddesi uygulanabilir. Aktivasyon malzemesi kuruduktan sonra genellikle sıvı veya pasta şeklinde yapıştırıcı uygulanır. Eğer yapıştırıcı bir çözücü ihtiva ediyorsa birleştirme tamamlanmadan önce bunların çoğu giderilmelidir. Termosetting yapıştırıcıları mayalamak için yüksek sıcaklıklar gerektiği zaman, şartlara bağlı olarak, ısıtma lambaları, ocaklar, ısıtılmış plakalı presler veya otoklavlar kullanılır. İlave mukavemet amacıyla adhesiv ve nokta kaynağının kombine etkisinden yararlanmak mümkündür.
Şekil 74- Yapıştırılmış bağlantılarda gerilme tipleri
Şekil 75- Yapıştırmada yaygın olarak kullanılan bağlantı tipleri
12. 4- Yapıştırmanın Avantaj ve Dezavantajları
Yapıştırma birçok avantajlara sahiptir. Hemen hemen bütün malzeme ve malzeme kombinasyonları birleştirilebilir. Çoğu yapıştırıcılar için mayalanma sıcaklığı oldukça düşüktür. Nadiren 177°C’yi geçer ve çoğu oda sıcaklığında veya biraz üzerinde mayalanır. Böylece birçok uygulamalar için uygun mukavemet sağlanacaktır. Çok ince folyeler gibi oldukça hassas malzemeler birbiriyle veya daha kalın kesitlerle birleştirilebilirler.
246 Bir bağlantı boyunca sürekli bağlama elde edilebildiğinden iyi yük dağılımı ve yorulma direnci elde edilebilir. Benzer olarak büyük temas alanları genellikle sağlanabildiğinden toplam birleşme mukavemeti diğer yapıştırma metotları ile elde edilenlerle rahatlıkla mukayese edilebilir. Düz hatlar elde edilebilir ve civata veya perçinlemedeki gibi deliğe gerek yoktur. Yapıştırıcılar bir titreşim söndürücü gibi davranarak termal ve elektriki izalatör görevi görebilir. Farklı cins metallerin birleştirildiği durumlarda galvanik reaksiyonlara karşı dirençlidir. Bağlama, bölgedeki bir oksit filmi ile meydana gelebildiğinden ve artan temas alanı nedeniyle yüzey hazırlama işi azalabilir (kaba yüzeyler uygundur). Azaltılmış işleme ve montaj, düşük bitirme işlemleri, mekanik bağlayıcıların yokluğu ve yüksek kalifiye iş gücünün gerekmemesinden kaynaklanan maliyet azlığı söz konusudur. Adhesivler genel olarak ucuz ve bağlama elemanlarından hafiftir. Adhesiv yapıştırmanın önemli dezavantajları: 1 - Çok azı 260°C sıcaklığa kadar oldukça iyi olmasına rağmen, çoğu yapıştırıcılar 177 °C’ nin üzerinde uygun değildir. 2- Bazı metotlar bazı tip bağlantılar için oldukça iyi neticeler vermesine rağmen adhesivle bağlanmış birleştirmelerin kalitesini tahribatsız yollarla belirlemek oldukça zordur. 3 - Eğer iyi ve sağlam neticeler elde edilmek istenirse yüzey hazırlama, yapıştırıcı hazırlama ve mayalanma işlemi oldukça kritiktir. 4 - Beklenen ömrü önceden tahmin etmek zordur. 5 - Montaj zamanı alternatif metotlara göre daha uzundur. 6 - Bazı yapıştırıcılar istenmeyen kimyasal madde ve çözücüler ihtiva ederler. Eğer uygun kalite kontrol şekilleri adapte edilir ve takip edilirse adhesiv bağ başarılı ve yaygın kullanımı için bu dezavantajların üstesinden gelinebilir. Adhesiv bağlama ile elde edilebilen birim mukavemet nispeten düşük iken, genellikle uygun birleşme dizaynı ile yeterli alanlar sağlanabildiğinden çoğu durumlarda bu faktör önemli bir dezavantaj veya sınırlama değildir.
247
Tablo 17- Bazı yaygın yapıştırıcıların mukavemetleri ile mayalanma ve çalışma sıcaklıkları
BÖLÜM-III
PLASTİK ŞEKİLLENDİRME
248
1-GİRİŞ Talaşsız şekillendirme işlemleri, çeşitli takım ve kalıplarla uygulanan kuvvetler altında bazı malzemelere (genellikle metallere), plastik akma kabiliyetinden faydalanarak, özellikleri kötüleştirme den katı durumda şekil verme operasyonlarıdır. Malzemeyi istenen şekle getirmek için fazla kısımların kaldırılması söz konusu olmadığından malzeme israfı ya çok azdır veya hiç yoktur. Fakat gerek duyulan kuvvetler genellikle yüksektir. Makina ve takımlar oldukça pahalı olduğundan şekillendirmeyi ancak büyük üretim miktarları verimli kılar. Modern toplumlarda metallerin faydalılığı, onları kullanılabilir şekillere getirebilme ile değerlendirilir. Hemen hemen bütün metaller bazı üretim safhalarında şekil değiştirmeyle mamül parça haline getirilirler. Döküm ingotlar, kalın takozlar ve kalın levhalar, boyutları değiştirilerek ince levha, çubuk ve plaka gibi temel şekillere dönüştürülür. Bu yarı mamüller; daha ileri deformasyonlarla tel veya dövme, ekstrüzyon, ince metal, ve diğer şekiller gibi sayılamayacak kadar çok ürünlere dönüştürülebilirler. Deformasyon; üç boyutta akma, basit kayma, basit veya bileşik eğme, veya diğer mekanizmaların herhangi bir kombinasyonu şeklinde olabilir. Bu deformasyonları meydana getiren gerilmeler, çekme, basma, kayma veya bunların çeşitli kombinasyonu olabilir (Şekil 1). Hız, sıcaklık, tolerans, yüzey tamlığı ve deformasyon miktarı en önemli imalat faktörleridir. İmalat geniş bir alanı kapsar. Çok sayıda özel işlemler mevcuttur ve Şekil 2’de verilmiştir.
Şekil 1-Gerilmelerin sınıflandırılması
249 2 - METAL ŞEKİLLENDİRMEYE ETKİ EDEN FAKTÖRLER 2. 1 - Bağımsız (Serbest) Değişkenler Genelde şekillendirme işlemleri, bağıl değişkenler ile bağımsız - bağıl arası ilişkilerden ibaret karmaşık sistemleri kapsarlar. Bağımsız değişkenler, mühendis tarafından direkt olarak kontrol edilen işlem parametreleridir ve genellikle işlem sırasında seçilir veya özelleştirilir. Tipik bağımsız değişkenlerin bazıları şunlardır : 1-Başlangıç malzemesi Mühendis, şekillendirilecek malzemenin kimyasal bileşimini ve şartlarını çok iyi bilmelidir. Böylece, imalatı kolaylaştırmak veya mamülün son özelliklerini istenen şekilde sağlamak için başlama malzemesinin özelliklerini belirlemiş olmaktadır. 2-İş parçası başlangıç geometrisi: Bu durum bir önceki işlem sonrasında belirlenmiş olabilir veya ekonomi gözönüne alınarak mühendis tarafından mevcut şekillerin arasından seçilebilir. 3 -Takım veya kalıp geometrisi : Bu büyük öneme sahip bir konudur ve diğer birçok konuları içine alır. Haddeleme merdanesinin çapı, sac şekillendirmede eğme yarıçapı, çekme veya ekstrüzyonda kalıp açısı, dövmede boşluk gibi detaylardır. Takım, metal akışını sağladığı yada kontrol ettiğinden işlemin başarısı veya başarısızlığı daha ziyade takım geometrisine bağlıdır. 4 -Yağlama: Bir şekillendirme işleminde harcanan gücün % 50’sinden fazlasını sürtünme için dikkate almak yaygındır. Yağlayıcılar, soğutucu ve korozyon önleyici olarak davrandıklarından bunların seçimi büyük öneme sahiptir. 5 -Başlama sıcaklığı : Sıcaklık işlem değişkenlerinin en etkili faktörlerinden biridir. Sıcaklığın kontrolü işlemin başarısını belirler. 6 -Operasyon hızı : Çoğu şekillendirme işlemlerinde ekipmanlar değişik hızlara sahiptir. Hız, yağlayıcı etkinliğini, deformasyon için gerekli kuvveti ve ısı transferini etkilediği için seçiminin önemli olduğu açıktır. 7 -Deformasyon (şekillendirme) miktarı: Bu husus kalıp dizaynı ile belirlenebilirken haddeleme gibi diğer işlemlerde mühendisin takdiriyle ayarlanabilir.
250
Şekil 2 - Bazı plastik şekillendirme yöntemleri
251 2. 2- Bağıl Değişkenler İmalat mühendisi bağımsız değişkenleri belirledikten sonra bağıl değişkenler olarak bilinen ikinci grup değişkenleri de tetkik etmesi gerekir. Bu değişkenlere örnekler şöyle sıralanabilir. 1- Kuvvet ve güç gereksinimi : Belli bir malzemeyi yarı mamül halden son şekline biçimlendirmek için (uygun bir yağlayıcı, takım geometrisi, hız ve başlama sıcaklığı ile) belli bir güç veya kuvvete ihtiyaç duyulacaktır. Bağımsız değişkenin değiştirilmesi; gerekli kuvvet veya güçte bir farklılık meydana getirecektir. Fakat bu tür etki dolaylıdır ve hatta mühendis uygun kuvvet veya gücü doğrudan belirleyemez. Ancak bağımsız değişkenleri belirledikten sonra gerekli kuvvetleri indirek olarak ayarlar. Mühendis, bir operasyon için ekipmanları belirlemeli, uygun kalıp malzemesi seçmeli, çeşitli kalıp dizaynlarını veya şekillendirme metotlarını karşılaştırmalı ve son olarak işlemleri optimize etmelidir. 2-Mamülün
malzeme
özellikleri:
Mühendis,
başlama
malzemesinin
özelliklerini
belirleyebilmesine rağmen işlem tarafından belirlenen kombine olmuş deformasyon ve sıcaklık değişkenleri bu özelliklere kesinlikle etkili olacaktır. Malzeme başlama özellikleri müşteriyi ilgilendirmez. Onun için daha çok ürünün son özellikleri önemlidir. Böylece işlem ile uygunluğa dayalı olarak başlama özelliklerini belirlemek veya işlemin onları nasıl değiştireceğini tahmin edebilmek gereklidir. 3-İşlem sıcaklığı : Deformasyon, ısı açığa çıkarır. Soğuk takımla teması sırasında sıcak iş parçası soğur. Özellikler malzemenin mekanik ve termal özelliklerine bağlıdır. Bu bakımdan işlem boyunca malzemenin sıcaklığını bilmek ve kontrol etmek önemlidir. 4-Yüzey bitirme ve tamlık : Bu iki özellik de, işleme has detaylara bağlı mamül özellikleridir. 5-Metal akış karakteri : Genel olarak deformasyon işlemleri, malzeme yüzeyinin kontrolü ve hareketi sırasında iç zorlanmalar ortaya çıkar. Malzemenin nasıl aktığı veya iç kısmından nasıl şekil değiştirdiği işlem ve malzemenin özelliklerine bağlıdır. Bu bakımdan kontrol şarttır. Eğer arzu edilen geometrik şekil, yüzeysel veya iç hatalar olmaksızın, uygun özellikler ile imal edilirse müşteri memnun edilmiş olacaktır. 2. 3 -Metal Şekillendirmede Zorluklar Tablo 1’de gösterildiği gibi, imalat mühendisinin karşısındaki problem oldukça açıktır. Bir taraftan bağımsız değişkenler direkt olarak kontrol edilirken, diğer taraftan mühendisin mutlaka
252 kontrol etmesi gereken ve indirek olarak etkileyebileceği bağıl değişkenler vardır. Bağıl değişkenler bağımsız değişkenlerin uygun seçilmesine bağlı olarak işlem tarafından belirlenir. Eğer bir bağıl değişken ayarlanacaksa mühendis, değişecek bağımsız değişkeni (veya değişkenleri) ne yolla ve ne kadar değiştireceğini bilmek zorundadır. Bu bakımdan bağımsızbağıl değişken etkileşim bilgisine sahip olmalıdır. Bağımsız ve bağıl değişkenler arasındaki ilişki bir imalat mühendisi için en önemli çalışma alanıdır. Ancak böyle ilişkileri kurmak zordur. Metal şekillendirme işlemleri, şekillendirilen malzemenin deformasyonunu gerçekleştiren takımın, yüzeyler ve ara yüzeylerdeki yağlamanın ve çeşitli diğer işlem parametrelerinin bileşik ve karmaşık bir sistemidir. İşlemler arasındaki fark ve alt işlemlerin sayısı oldukça çoktur. Çeşitli malzemeler farklı davranış gösterirler. Ayrıca çok sayıda farklı yağlayıcı mevcuttur. Gerçekte bazı şekillendirme işlemleri 15 veya daha fazla bağımsız değişkenin etkisi altındadır. Tahmin edebilme ve bağıl değişkenleri kontrol etme şu üç yoldan biri ile sağlanır. 1- Tecrübe : Bu, işlemle ilgili uzun zaman gerektirir ve sık sık geçmişteki uygulamaların gözden geçirilmesi lazımdır. 2- Deney: Hatayı en aza indirmek deneyle mümkün olmasına rağmen direkt deneme, zaman harcamayı ve ek maliyet gerektirir. Laboratuvar deneyleri sırasında deformasyon derecesi ve hızı daha azdır. Yağlayıcı verimi ve ısı transferi genellikle değiştirilebilir. Bu bakımdan laboratuar deneyleri oldukça değerlidir ve benzer şartlarda uygulamaya aktarıldığı zaman önem kazanır. 3- Teori : Mühendisin, birçok bağımsız değişkenlerin nümerik değerlerini koyabildiği ve bağıl değişkenler için bir tahmin yapabileceği, işlemin matematik bir modelini geliştirme teşebbüsüdür. Çoğu teknikler, üç boyutlu gerilme ile uygulanan plastisite teorisine dayanır. Diğer yollar kalın plaka dengesi veya üniform deformasyon enerjisi hesaplamaları, sonlu elemanlar veya sınırlı fark metotları gibi alışılmış ve kompütere dayalı çözümlerle ilgilidir. Çözümler, işlemi tarifleyen cebirsel eşitlikler ve özel giriş değerlerine dayalı tam bir nümerik sonuç açığa çıkarabilirler. Eğilim, kesinlikle matematik modellere yönelik iken dizayn ve işlemin bilgisayarla kontrolünde kullanılan modeller giriş değişkenleri için hassas değildir. Örneğin, deforme olan malzemenin plastik davranışı (akma mukavemeti, süneklilik gibi), sıcaklık - genleşme (ön deformasyon miktarı) ve uzama oranları (deformasyon hızının özel şartları için) bilinmelidir. Daha da öteye, eğer mikroyapısı farklı ise aynı malzeme, aynı şartlar altında farklı davranabilir (ferritik ve perlitik tavlanmış veya su verilmiş ve temperlenmiş bir 1040 çeliği). Fakat mikroyapı ve etkilerini bir bilgisayarla kantitatif bir şekilde belirlemek zordur. Değişik şartlar altında malzeme
253 davranışı dikkate değer öneme sahiptir. Başka bir karmaşık değişken sürtünmedir. Sürtünmenin basınç, alan, yüzey düzgünlüğü, yağlayıcı, hız ve malzemeye bağlı ve aynı işlem içinde farklı bölgelerde farklı şekilde olduğu bilinmesine rağmen çoğu modeller sürtünmenin etkisini sabit büyüklükte tek bir değişken olarak dikkate alır. Teorik yaklaşımı zorlaştıran bu problem yanında bilgi eksikliği de, deneyim veya deney neticelerini değerlendirmeyi zorlaştırır. Tablo 1 - Metal şekillendirme sisteminde değişkenler
2.4 – Genel Parametreler Belirli bir işleme ait metal şekillendirme bilgisi özel olurken, belli konular vardır ki bütün işlemler için geçerlidir.Metal şekillendirme mühendisi ( imalat mühendisi ) imalat için önemli bir bilgi alanı deforme olan malzeme hakkındaki bilgidir. - Mukavemet veya sıcaklık şartlarıyla ilgili deformasyona direnci, deformasyon hızı ve önceki şekil değişim miktarı nedir? - Şekil alma kabiliyeti ve kırılma özellikleri nasıldır? - Sıcaklığın etkisi ve sıcaklıkla değişimi nasıldır? - Ne miktarda şekil değişimi malzemeyi sertleştirir? - Rekristalizasyon kinetiği nedir? - Çeşitli çevre ve yağlayıcılarla reaksiyona girer mi?
Belli bir metalin şekillendirme işlemine uygunluğunu belirlemek için bu ve bunun gibi sorular cevaplanmak zorundadır. Malzeme özellikleri oldukça değişken olduğu için bu detaylar burada tartışılmayacaktır. Diğer bir çok faktör deformasyon hızına kuvvetli olarak bağlıdır. Malzeme davranışı hız ile önemli oranda değişebilir. Eğer darbe şeklinde yüklenirse bazı malzemeler
254 kırılır veya çatlar fakat yavaş hızlardaki yüklemeler altında plastik olarak deforme olacaktır. Daha yüksek hızlarda şekillendirildiği zaman hassas malzemeler daha mukavimleşir. Böylece, eğer işlemi daha hızlı gerçekleştirmek istiyorsak aynı neticeyi almak için daha fazla enerji gereklidir. Çok hızlı deformasyon oranlarında gerçekleştirilen deformasyon işlemi göz önüne alındığında yavaş çekme testlerinden elde edilen mekanik datalar faydalı olmayabilir. Sıcak şekillendirmedeki gibi malzeme yüksek sıcaklıklarda ise hız hassasiyeti (hız ile davranışı değiştirme derecesi ) genellikle daha da büyür. Hız ile ilgili mekanik değişimlere ilave olarak, daha fazla hızlar, iyileşmiş yağlama şartları gerektirir. Ayrıca yüksek hızlar ısı transferi ve soğuma zamanını azaltır. Sıcak şekillendirme sırasında iş parçası daha sıcak ve takım daha soğuk kalır. Diğer genel değişkenler sürtünme, yağlama ve sıcaklığı kapsar. Önemli olmaları nedeniyle bazı detaylarıyla aşağıda tartışılacaktır. 2.5 - Metal Şekillendirme Sırasında Sürtünme ve Yağlama Metal şekillendirme işleminde önemli bir faktör iş parçası ile şekillendirme takımı veya takımlar arasında meydana gelen sürtünmedir. Bazen ekipman tarafından harcanan enerjinin % 50’ sinden fazlası meydana gelen sürtünmeyi yenmekte harcanır. Mamül kalite konuları (yüzey kalitesi ve boyutsal tamlık) direkt olarak sürtünmeyle ilgilidir. Ayrıca yağlamadaki değişmeler şekillendirme sırasında malzeme akışının modunu değiştirebilir ve böylece de mamülün son özellikleri değişir. İmalat hızları, takım dizaynı ve aşınması, işlem optimizasyonu, sürtünmenin belirlenebilme imkanına ve kontrolüne bağlıdır. Haddeleme gibi bazı işlemler sürtünmeden faydalanarak gerçekleşir. Fakat sürtünmenin etkisini ölçmek, temas alanı, hız ve sıcaklık gibi değişkenlere bağlı olduğundan test neticesini imalat şartlarına indirgemek zordur. Metal işleme sırasında sürtünmenin çoğu mekanik sistemlerde meydana gelenden çok farklı olduğunu bilmek gerekir. Dişliler, yataklar, kavramalar ve benzer elemanlar genellikle sürekli şekil değişikliğine sebep olmayan elastik yüklere, maruzdurlar. Yüzey uyumluluğu sağlayacak ölçüde bir aşınma ile birlikte düşük veya orta sıcaklıklarda benzer malzeme ve mukavemetli iki yüzey oluştururlar. Metal şekillendirme operasyonlarında ise basınç altında, şekillendirilecek malzemede plastik akışa sebep olacak, yumuşak iş parçasıyla etkileşen ve fakat sert ve deforme olmayan bir takım kullanılır. Şekil 3, temas basıncındaki değişme ile sürtünme direncindeki değişimi göstermektedir. Başlangıçta, elastik yüklerdeki sürtünme, ara yüzeye normal doğrultudaki basınca orantılıdır ve orantı sabiti sürtünme katsayısı (µ olarak gösterilir) olarak bilinir.
255
Şekil 3 – Sürtünme direncine temas basıncının etkisi
Yüksek basınçlarda sürtünme, temas basıncından bağımsız oluşur ve daha ziyade malzemenin mukavemetine bağlıdır. Fakat bu hal yağlamasız temas için geçerlidir. Yağlayıcının cinsi ve miktarındaki değişim sürtünme davranışını değiştirecektir. Aşınmanın önemi farklıdır, iş parçası takımdan çıkartıldığı için iş parçasında meydana gelen aşınmaya genellikle itiraz edilmez. Aslında, aşınma ile meydana gelen parlak ve temiz metal yüzeyi genellikle müşteri tarafından arzu edilir. Fakat takım üzerindeki aşınma oldukça önem arzeder. Takım pahalıdır ve çok sayıda iş parçasını şekillendirmesi istenir. Takımdaki aşınma genellikle iş parçası boyutlarındaki değişmeye sebep olur. Tolerans kontrolü kaybolur ve bazı durumlarda değiştirilmek zorundadır. Takım aşınması ayrıca, sürtünme direncinin artmasına (gerekli güç artımı ve işlem hassasiyetinin düşmesi) mamülün kötü yüzey kalitesine ve takım değiştirme sırasında üretim kaybına sebep olur. Yağlama, metal şekillendirmede büyük öneme sahiptir. Yağlayıcılar sürtünmeyi ve takım aşınmasını azaltmak için kullanılır. Metal şekillendirmede kullanılan bir yağlayıcının seçiminde dikkate alınacak faktörler, yağlayıcının bir termal bariyer gibi davranma kabiliyeti, ısıyı iş parçası içinde tutarak takımdan uzaklaştırması, bir soğutucu olarak davranabilme kabiliyeti ve takımdan ısıyı çekmesi, şekillendirilmiş mamül üzerinde kaldığı zaman korozyonu geciktirme kabiliyeti, uygulama ve temizleme kolaylığı, toksit ve kokusuz oluşu, yanma kabiliyeti, metal yüzeyi ile reaktivite durumu, termal dengesi, uygun basınç, sıcaklık ve hız aralığına uygunluğu, yüzey ıslatma özellikleri, maliyeti, bulunabilirliği , akma veya incelme kabiliyetini kapsar. İlave olarak, verilen bir yağlayıcının davranışı ara yüzey şartlarındaki değişme ile değişecektir. Çoğu yağlayıcılar, tecrübe ile geliştirilmiştir. Mevcut birçok alternatifler, tariflenmemiş kimyasal maddeler ile yabancı lisanslar altında pazarlanır. Bir işlemde bir problem meydana geldiğinde yağlayıcı değişimi en kolay ve en ucuz işlem değişkenidir. Yine de sürtünme ve yağlama kontrolünün yararları büyük olabilir.
256 Örnek olarak eğer bir takım ve iş parçası arasında tamamen sıvı uygulanabilirse, gerekli deformasyon kuvvetleri % 30-40 düşürülebilir ve takım aşınması hemen hemen giderilebilir. Bu yüzden genel metal şekillendirme şartları altında sürtünmenin ölçümüne özel önem verilmelidir. Böylece metal şekillendirme işlemlerinde yağlayıcının optimum faydasını sağlayacak bir bilimsel esas tesis edilebilir. 2.6 - Sıcaklık Faktörü Metal şekillendirmede sıcaklığın önemi yağlama kadar büyüktür. Malzeme özellikleri ve davranışındaki sıcaklığın rolü ileride tartışılmıştır. Genelde sıcaklıktaki bir yükseliş malzeme mukavemetinde bir azalma, süneklilikte artma ve soğuk sertleşme oranında bir azalma gibi deformasyonda kolaylığa sebep olur. Şekillendirme işlemleri, şekillendirme sıcaklığı ve şekillenen malzemeye bağlı olarak, sıcak şekillendirme, soğuk şekillendirme ve yarı sıcak (ılık) şekillendirme olarak sınıflandırılabilir. Sıcak şekillendirme, deformasyonla rekristalizasyonunun aynı zamanda meydana geldiği sıcaklık ve şekil değiştirme şartları altında oluşur. Genel olarak deformasyon sıcaklığı iş parçası malzemesinin ergime noktasının Kelvin olarak 0. 6 katı olmalıdır. Soğuk şekillendirme, toparlanmanın etkili olmadığı ve genellikle iş parçasının ergime sıcaklığının 0. 3 katından daha düşük sıcaklık şartları altında yapılan şekillendirmedir. Yarı sıcak şekillendirme (ılık) geçiş şartları altında yani ergime noktasının 0. 3 – 0.6 katı arasındaki çalışma sıcaklıklarında yapılan şekillendirmedir. 3- SICAK ŞEKİLLENDİRME 3. 1- Sıcak Şekillendirmenin Tanımı Sıcak şekillendirme rekristalizasyon sıcaklığının üstündeki bir sıcaklıkta metallerin plastik deformasyonu olarak tanımlanır. Burada işaret etmek gerekir ki rekristalizasyon sıcaklığı malzeme cinsine göre büyük oranda değişir. Kurşun ve kalay oda sıcaklığında sıcak şekillendirilirken, çelikler 1100°C’ye yakın sıcaklıkları gerektirirler ve tungstenin bu sıcaklıkta şekillendirilmesi soğuk veya yarı sıcak şekillendirme ile olur. Öteyandan, sıcak şekillendirme mutlaka yüksek sıcaklıkları gerektirmez. Rekristalizasyon sıcaklığı üzerindeki plastik deformasyon, şekil değiştirme sertleşmesi meydana getirmez. Bu yüzden sıcak şekillendirme akma sınırı veya sertlikte herhangi bir artışa, dolayısıyla süneklilikte bir azalmaya sebep olmaz. İlave olarak metallerin akmasının sıcaklık arttığında düşer ve süneklilik artar. Böylece aşırı büyük kuvvetler kullanmaya gerek kalmaksızın ve kırılmaya sebep olmadan sıcak çalışma ile metallerin şeklini değiştirmek mümkündür. Ayrıca yüksek sıcaklıklar, kimyasal homojensizliği giderebilen difüzyonu teşvik eder, gözenekleri kaynatarak kapatır veya deformasyon sırasında boyutlarını küçültür ve son özellikleri geliştirmek için metalürjik yapıyı değiştirebilir. Çelikler
257 için sıcak şekillendirme, düşük sıcaklıklarda bulunan HMK ferritik yapıyla karşılaştırıldığında daha sünek ve zayıf olan YMK ostenitin deformasyonunu gerçekleştirir. Olumsuz yönden bakıldığında, yüksek sıcaklıkların, metal ve çevresi arasında arzu edilmeyen reaksiyonları teşvik ettiği görülür. Termal büzülmeler ve üniform olmayan soğumalar yüzünden toleranslar kötüdür. Metalürjik yapı da üniform olmayabilir. Son tane boyutu, şekil değiştirme derecesi ne, deformasyon sıcaklığına, deformasyon sonrası soğuma hızına ve diğer faktörlere bağlıdır.
3.2- Sıcak Şekillendirme Sırasında Tane Değişimi İngotlar veya sürekli döküm yarı mamüller gibi kalın kesitli metal katılaştığı zaman kaba dentritik taneler şekillenir ve belli bir safsızlık segragasyonu oluşur. İngotlarda oldukça sık görülen ve arzu edilmeyen kolon şeklindeki taneler oluşur. Katılaşmış tipik bir metal, büyük tane boyutu ile üniform olmayan bir tane yapısına sahiptir. Deformasyondan önce, metalin ısıtılması tane büyümesini teşvik edecektir ve paralelinde mekanik özelliklerde bir düşüşü getirecektir. Fakat metal rekristalizasyon sıcaklığının yeterince üzerinde deforme edilirse çarpılmış yapı, gerilmesiz yeni tanelerin oluşması ile azaltılır. Sonra tane, büyüme durumuna geçer veya fazlaca deforme olarak rekristalize olur. Son yapı daha önce açıklanan faktörlere bağlı olarak rekristalizasyon ile şekillenecektir. İnce, rastgele sıralanmış, küresel şekilli bir tane yapısı, mamülü sadece mukavemette değil süneklilik ve toklukta da belli bir değere ulaştıracaktır. Sıcak şekillendirme ile sağlanan diğer bir iyileşme, metal içindeki saf olmayan malzemeler veya inklüzyonların giderilmesidir. Normal ergitme ve soğutma ile birçok safsızlıklar tane sınırlarındaki ara yüzeye yerleşmeye meyleder. Eğer uygun olmayan dağılım söz konusuysa, metal içinde, bu safsızlıklardan üreyen çatlaklar oluşabilir. Bir metal parçası plastik olarak deforme edilirse, içindeki yabancı malzemeler çarpılır ve metalle birlikte akar. Fakat bu malzeme esas metalle birlikte rekristalize olmaz ve bir fiber yapı meydana getirir. Böyle bir yapı yönlenmiş özelliklere sahiptir ve bu özellik bir yönde diğer yöndekinden daha kuvvetli olur. Metal içinde çatlak hareketine yardım edecek şekilde orijinal olarak yerleşmiş bir safsızlık, bir çatlak durdurucu (önleyici) pozisyona getirilir. (çatlak üreme yönüne dikey şekilde). Dizayn sırasında bu neticeler kullanılabilir. Şekil 4, talaş kaldırılarak ve ovalanarak açılmış bir vida dişini şematik olarak karşılaştırmıştır. Yüzeyi kesecek şekilde yerleşmiş potansiyel kusurları gidermek için ovalamayla açılmış ve “fiber” yapısına sahip diş açma işlemlerinin mukavemet özelliklerini iyileştirdiği görülür. Düzensiz dizayn veya deformasyon, kusur ihtimalini önemli oranda arttırabilir.
258
Şekil 4 - İşlenmiş (a) ve ovalanarak imal edilmiş(b ), vida dişlerinde tane akış karakteristiklerinin şematik karşılaştırılması.
3.3- Sıcaklık Değişimi Bir sıcak deformasyon işleminin başarı veya başarısızlığı termal şartları kontrol edebilme imkanına bağlıdır. Deforme olan iş parçasına verilen enerjinin % 90’ından fazlası ısıya dönüşecektir. Eğer deformasyon yeterli hızda gerçekleşiyorsa, iş parçasında bir sıcaklık artışı sağlamak mümkündür. Isı iş parçasının yüzeyinden kaçar. Yüzey soğuduğu için iş parçası içinde üniform olmayan sıcaklık dağılımı gözlenir. Isı akışı daha soğuk ve daha az sünek yüzeyin çatlamasına sebep olabilir. Bu yüzden sıcaklıkları mümkün olduğunca üniform devam ettirmek istenir. Isıtılmış kalıplarda, ısı transfer oranını düşürerek kalıp ömrünün uzaması sağlanır. Bu yüzden, çeliklerin sıcak şekillendirilmesinde yaygın kalıp sıcaklıkları 320-420°C aralığındadır. Daha uzun temas zamanına müsaade etmek ve iyi toleranslar sağlamak için pratikte 540 - 650 °C gibi yüksek sıcaklıklarda çalışmak eğilimine rağmen, takım ömrü, bu şartları cazip olmayan duruma sokacak şekilde hızlıca azalır. Sıcak dövmede olduğu gibi karmaşık şekilli parçalar şekillendirildiğinde, ince kesitler kalın kesitlerden daha hızlı soğurlar ve karmaşık akış davranışı sergilerler. İlave olarak, çalışma şartlarından dolayı üniform olmayan soğuma, sıcak şekillendirilmiş mamüllerde önemli miktarda iç gerilmeye sebep olabilir. 4- SOĞUK ŞEKİLLENDİRME Rekristalizasyon sıcaklığı altında metallerin plastik deformasyonu soğuk şekillendirme olarak bilinir ve genellikle oda sıcaklığında uygulanır. Fakat bazı durumlarda sünekliği arttırmak ve mukavemeti düşürmek için şekillendirme orta sıcaklıklarda yapılabilir. İmalat açısından soğuk şekillendirme birçok belli avantajlara ve dolayısıyla çeşidi soğuk şekillendirme işlemleri de büyük öneme sahiptirler. Yüzey kalitesi ve tamlık önemli oranda sağlanırken mamülün mukavemetini arttıran soğuk sertleşme meydana gelir. Malzemeyi şekillendirme sıcaklığına getirmek için enerjiye ihtiyaç yoktur. Son yıllarda önemli avantajlarından dolayı soğuk şekillendirmenin uygulanması artmıştır ve bu eğilim devam etmektedir. Netice olarak birçok deformasyon işlemlerini gerçekleştirmek için çok sayı da soğuk şekillendirme işlemleri geliştirilmiştir. Önemli soğuk şekillendirme operasyonları temel olarak basma, eğme, kesme ve çekme başlıkları altında toplanabilir.
259 Sıcak şekillendirme ile karşılaştırıldığında soğuk şekillendirmenin avantajları şunlar olabilir: 1 - Isıtma gerektirmez. 2 - Daha iyi yüzey kalitesi elde edilir. 3 - Boyut kontrolü sağlanabilir. 4 - Yeniden üretilebilirlik ve parçaların birbiriyle değiştirilme imkanı daha kolaydır. 5 - İyileştirilmiş mukavemet özellikleri sağlanır. 6- Yönlendirilmiş özellikler sağlanabilir. 7 - Kirlenme minimumdur. Soğuk şekillendirmenin bazı dezavantajları da aşağıda sıralanmıştır : 1 - Deformasyon için gerekli güçler yüksektir. 2 - Daha ağır ve güçlü ekipmanlara ihtiyaç duyulur. 3 - Düşük süneklilik elde edilir. 4 - Metal yüzeyleri temizlenmeli ve tufalsız olmalıdır. 5 - Elde edilen yönlenmiş özellikler zararlı olabilir. 6 - Mamül, arzu edilmeyen gerilmeleri taşıyabilir. Dezavantajlar ve avantajlar incelendiğinde, soğuk şekillendirme işlemleri için gerekli ekipman ve takım maliyetini ekonomik hale getiren miktarlar sözkonusu olduğu durumlarda, büyük hacimli üretimler için, özellikle uygun olduğu ortaya çıkar. Soğuk şekillendirme ekipmanlarını iyileştirme ve geliştirme için önemli gayretler sarfedilmektedir. İlave olarak, geçmiş yıllarda yaşanmış zorlukları azaltmak için daha iyi ve sünek metaller geliştirilmiş ve temel plastik akışın anlaşılmasında aşamalar kaydedilmiştir. Modern seri üretim işlemlerine paralel olarak çok fazla soğuk şekillendirme işlemleri geliştirilmiştir. Otomatikleştirilmiş yüksek kaliteli mamüller, düşük maliyetli imalatın sonucudur. Ayrıca çoğu soğuk şekil verme işlemleri, artık malzemeyi minimuma indirir veya tamamen gidererek mamülün müteakiben talaşlı işleme girmesini engeller. Soğuk şekillendirme işlemleri, çok miktardaki imalatlara daha uygun olmasına rağmen bu işlemlere dayalı metot geliştirmek için daha fazla gayret sarf edilmektedir. Oldukça az üretim miktarları için ekonomik olarak kullanılabilecek ekipmanlarla birleştirilebilir. Gerekli ekipmanların önemli bir kısmı standartlaştırılmıştır ve aşırı pahalı değildir.
260 4. 1 - Soğuk Şekillendirme ve Metal Özellikleri Arasındaki İlişkiler Soğuk şekillendirme için bir metalin uygunluğu, metalürjik yapısına direkt olarak bağlı olan çekme özellikleriyle belirlenir. Yani, bir metalin soğuk şekillendirilmesi, mamülün çekme özellikleriyle de direkt olarak ilişkilidir. Bu iki ilişki, soğuk şekillendirme ile işlenecek metal seçiminde gözönüne alınmalıdır. Metalin elastiklik sınırı geçilmediğinde plastik deformasyon meydana gelmez. Böylece, Şekil 5’de, kalıcı deformasyon elde edebilmek için gerilme, 0 – Xı’i geçmelidir. Herbir gerilme-şekil değiştirme eğrisindeki elastik sınırdaki gerilme, (a)’ dır. Eğer gerilme 0 – X4’ü geçerse metal kırılır. Sonuçta soğuk şekillendirme açısından iki önemli faktör ortaya çıkar: 1 - Akma gerilmesinin büyüklüğü (kalıcı deformasyona sebep olacak yeterli kuvveti belirler). 2 - Gerilme bölgesinin 0’ dan X4’e uzaması (kullanılabilecek miktarda mevcut süneklilik veya plastik deformasyon miktarını belirler).
Şekil 5-Bir metalin çekme özellikleriyle soğuk şekillendirmeye uygunluğu arasındaki ilişkiyi gösteren gerilme-şekil değiştirme diyagramı
Eğer bir metale, çatlama olmaksızın önemli bir deformasyon uygulanması gerekiyorsa, Şekil 5’deki diyagramın solunda gösterilene benzer çekme özelliklerine sahip olma, sağdaki gösterilene tercih edilir. Plastik deformasyonu başlatmak ve devam ettirmek için daha fazla süneklilik ve daha az kuvvet gerekecektir. Diyagramın sağındaki gibi özelliklere sahip bir metal, belli bir soğuk şekillendirme miktarı ile daha fazla sertleşecek ve böylece birçok şekillendirme operasyonları için uygun olmayacaktır. Soğuk işleme özellikleri tane boyutu ile de etkilenir. Aşırı büyük veya küçük taneler arzu edilmeyen neticeler meydana getirir. Bir gerilme-şekil değiştirme diyagramı yardımı ile açıklanabilen soğuk şekillendirme operasyonlarında esneme her zaman mevcut bir olaydır. Yükün uygulanmasıyla bir metal deforme edildiğinde, meydana gelen
261 toplam deformasyonun bir kısmı elastiktir. Mesela bir metal X1 noktasına gerilip yük kaldırılırsa metal orjinal şekline dönecektir. Çünkü bütün deformasyon elastiktir. Öte yandan aynı metal X3’e gerilirse şekil değiştirme eğrisi üzerindeki (b) noktasının karşısında 0- X3 arasındaki toplam uzama iki kısımdan oluşur. Bu uzamanın bir kısmı elastik, bir kısmı plastiktir. Eğer deformasyon yükü kaldırılırsa gerilme (b-X2 )hattını takip ederek azalır ve artan şekil değişimi sadece 0-X2 olacaktır. Şekil değişimindeki azalma (X3-X2) “elastik yaylanma” olarak isimlendirilir. Elastik yaylanmanın, soğuk şekillendirmede önemli bir olay olduğu oldukça açıktır. Çünkü deformasyon, daima elastik yaylanma noktanın gerisinde sürdürülmelidir. Ayrıca, değişik malzemeler değişik elastik modülüne sahip olduklarından belli bir yükteki yaylanma miktarı bir metalden diğerine farklı olacaktır. Bu yüzden malzemedeki değişiklik, şekil değiştirme işleminde de bir değişiklik gerektirecektir. Yaylanma bir dizayn faktörüdür ve çoğu zorluklar uygun dizayn yollarıyla önlenebilir. 4.2- Soğuk Şekillendirme için Metallerin Hazırlanması Soğuk şekillendirmede kolaylıklar sağlamak için metal genellikle işlemden önce özel muameleye tabi tutulmalıdır. İlk olarak, sıcak şekillendirme ile elde edilenden daha iyi yüzey kalitesi ve boyutsal hassasiyet düşünülüyorsa, kullanılan kalıp veya merdaneyi aşınmadan korumak için başlama metali tufal ve oksitten temizlenmelidir. Oksit tabakası, temizleme ile giderilmelidir. Bunun için metal, asit banyosuna daldırılır ve sonra yıkanır. İkinci olarak soğuk şekillendirilmiş parçalarda iyi boyutsal toleranslar temin etmek için genellikle üniform kalınlık ve düzgün yüzeye sahip metalle başlamak gereklidir. Bu sebeple bazen sac metaller, ağır soğuk şekillendirmeden önce hafif bir soğuk haddelemeye tabii tutulur. Bu işlem mamüldeki üniform olmayan deformasyon ve yüzey düzgünsüzlüğü gibi problemleri gidermek için yapılır. Soğuk şekillendirmeden önce metale uygulanabilen üçüncü bir işlem tavlamadır. Eğer soğuk şekillendirme önemli deformasyonla gerçekleştirilecekse, mümkün olduğunca fazla süneklilik arzu edilir. Birçok durumda, iş parçası kısmen soğuk şekillendirildikten sonra tavlama yapılır. Tavlama işleminin düzenli kontrolü ile arzu edilen tane boyutu elde edilebilir. 5- YARI SICAK ŞEKİLLENDİRME Soğuk ve sıcak şekillendirme arasında orta sıcaklıklarda yapılan şekillendirme “yarı sıcak” şekillendirme olarak isimlendirilir. Soğuk şekillendirme ile karşılaştırıldığında, yarı sıcak şekillendirme takım ve ekipman üzerindeki düşük yük ve artan metal sünekliliğinin avantajlarını taşır. Bu işlemde şekillendirmeden önce yüksek karbonlu çeliklerin gerekli küreleştirme tavına tabi tutulması gerekmez. Ayrıca dövülmüş malzemenin özellikleri müteakip ısıl işlemleri ortadan kaldıracaktır.
262 Sıcak şekillendirme ile karşılaştırıldığında, yarı sıcak rejimi daha az enerji sarfı (artan deformasyon enerjisini karşılayandan fazlası, iş parçasının ısıtılması için gerekli enerjiyi azaltır), daha az pullanma ve dekarbürüzasyon ve daha iyi boyut kontrolü, daha az oksidasyon ve daha uzun takım ömrü sağlar (Takımlar, daha yüksek kuvvetler harcamak zorundayken, daha az termal şok ve yorulmaya maruzdurlar). Fakat yarı sıcak şekillendirme hala bir gelişme dönemindedir ve gelişmesi için birçok engel vardır. Malzeme davranışları, bu düşük sıcaklıklarda daha az karakterize edilir. Bu sıcaklık ve basınçlarda operasyon için uygun yağlayıcı geliştirilememiştir. Son olarak yarı sıcak şekillendirme için kalıp dizayn teknolojisi henüz oluşturulamamıştır. Bununla birlikte mevcut enerji korunumu kesinlikle yarı sıcak şekillendirmenin kullanımını arttıracaktır.
6-METAL ŞEKİLLENDİRME İŞLEMLERİ 6. 1- Dövme İş parçasının deformasyonunun basma kuvvetleriyle gerçekleştirildiği durumlardaki işlem ailesini ifade eder. Çeşitli metallerden geniş aralıkta boyut ve şekilli parçaların yapımında kullanılır. Bugün dövme ile yapılan tipik parçalar, motorlar için krank milleri ve biyelleri, türbin diskleri, dişliler, volanlar, civata başları, el aletleri, işleme ve taşıma ekipmanları için çok çeşitli yapı elemanları gibi parçalardır. Dövme operasyonları, oda sıcaklığında (soğuk şekillendirme) veya yüksek sıcaklıklarda (sıcaklığa bağlı olarak yarı sıcak ve sıcak dövme diye bilinir) yapılabilir. Bu kategoriler için sıcaklık aralıkları uygun bir şekilde verilmiştir (Tablo 2).
Tablo 2 - Çeşitli işlemler için uygun sıcaklık aralığı
Burada Tm , iş parçası malzemesinin ergime sıcaklığıdır. Metaller için uygun rekristalizasyon sıcaklığı yaklaşık 0.5 Tm’dir. En basit dövme, Blacksmith tekniği ile ağır bir çekiç ve bir örs kullanılarak yapılabilir. Genellikle sağlam bir kalıp seti ve pres gereklidir.
263 Dövmenin üç temel kategorisi açık kalıp, basma kalıp ve kapalı kalıpta dövmedir. Bu işlemler aşağıda açıklanacaktır. Dövme,elle, şahmerdan veya presler veya özel dövme makinaları ile sağlanan bölgesel basınç kuvvetleri vasıtasıyla, metalin plastik olarak işlenmesidir. Sıcak veya soğuk olarak yapılabilir. Fakat soğuk olarak yapıldığında işleme özel adlar verilir. Neticede, “dövme” terimi genellikle rekristalizasyon sıcaklığı üzerinde yapılan sıcak dövmeyi ifade eder. Dövme, bilinen en eski metal işleme işlemidir ve 5000 yıl öncesine dayanır. Tarih öncesi insanların gözenekli demiri ısıtıp bir taş ile çekiçleyerek faydalı bir alet şekline dövdükleri günlerden beri, birçok faydalı mamüllerin etkili bir imalat metodudur. Modern dövme, silah yapımcıları tarafından uygulanan en eski uygulamadan gelişmiştir ve Blacksmith köyünü ölümsüzleştirmiştir. Büyük güçlü çekiçler ve mekanik presler, kuvvetli bir kolun, çekicin ve örsün yerini almıştır. Modem metalürjik bilgiler, metalin ısıtılması ve taşınmasının kontrolü ile operatörün mesleği ve sanatını kapsar. Büyük esneklik sağlamak, binlerce parçayı seri olarak imal etmek veya tek bir parçayı mümkün ekonomiklilikte dövmek için çeşitli dövme işlemleri geliştirilmiştir : 1 - Metalin kesitini azaltıp boyunu uzatarak inceltme 2 - Metalin boyunu kısaltıp kesitini arttırarak şişirme (yığma) 3 - Çeşitli yönlerde metal akışını sağlayacak şekilde kapalı kalıplarda sıkıştırma Şekil 2’de belirtildiği gibi işlemede basıncın ifadesi, başlıca tek eksenli veya çok eksenli basmadır. Yaygın dövme işlemleri şunlardır : 1 - Serbest çekiçle dövme 2- Kalıp tesirli düşmeli dövme 3 - Presle dövme 4 - Yığma 5 - Otomatik sıcak dövme 6- Hadde ile dövme 7 – Şişirme
264 6. 1. 1 - Serbest Dövme ve Basma İşlemleri 6. 1.1.1 –Açık Kalıpta (serbest) dövme Temel olarak serbest dövme eskiden Blacksmith tarafından yapılan dövmenin aynıdır. Fakat günümüzde tekrarlanan vuruşlar için ağır mekanik ekipmanlar kullanılır. Şekillendirilecek metal, örs üzerine yerleştirilmeden önce uygun sıcaklığa ısıtılır. İndüksiyonla ısınma birçok uygulamalar için cazip olmasına rağmen gaz, fuel oil veya elektrik fırınları genellikle kullanılır. Darbe, bazı mekanik çekiçler ile uygulanır. En basit tipi düşmeli veya tahtalı şahmerdandır. Burada çekiç, iki tahrik merdanesi arasına yerleştirilerek yükseltilen ve sonra serbest düşme sağlamak için gevşetilen sert bir tahtanın alt ucuna tutturulur. Bunlardan bazıları halen kullanılmakta olmasına rağmen çekici kaldırmak ve düşürmek için buhar veya hava basıncı kullanan çekiçler (şahmerdan) daha yaygındır. Bunlar, daha yüksek hız, daha iyi kuvvet kontrolü, daha kolay otomasyon sağlarlar ve tonlarca ağırlıktaki parçaların şekillendirilmesine uygundurlar. Bilgisayar kontrollü şahmerdanlar, bir operasyonun çeşitli kademeleri için önceden belirlenmiş darbeyi sağlayabilirler. Şekil 6, çift sütunlu büyük bir buharlı şahmerdanla kullanılan bir kalıp setini göstermektedir. Bir başka tip daha esnek olan tek sütunlu dizayndır. Fakat tek gövdeli dizayn, çift gövdeli kadar kuvvetli değildir. Tek gövdeli (tek sütunlu) şahmerdanlar genellikle 2500 kg kapasiteli iken, çift gövdeli tipleri 12000 kg kapasitelidirler. Serbest dövmede metalin akışı sınırlanmaz, çekiç ve örs tamamen düzdür. Operatör vuruşlar arasında iş parçasını çevirerek istenen şekli elde eder. İş parçası ve çekiç veya örs arasında profil şekillendirme (yuvarlak, konkav veya konveks), delik açma veya kesme işlemlerini gerçekleştirmek için şekillendirilmiş bir kalıp veya özel şekilli takımlar kullanılabilir. Büyük iş parçalarını tutmak ve çevirmek için mekanik maniplatörler kullanılır. Bazı bitirilmiş (son şeklini almış) parçalar bu usulle yapılabilmesine rağmen, türbin rotorları gibi ağır parçalar durumunda (burada metal müteakip işlemleri azaltmak için önceden şekillendirilmiştir.) bazı ileri operasyonlar için ön şekil verme işlemleri yapılır. Şekil 7’de serbest dövme ile bir halka ve bir silindirik milin yapılışı görülmektedir. 6. 1 .1 . 2 - Serbest Dövmede Şekil Değişimi En basit şeklinde, açık kalıp işleminde genellikle iki düz kalıp arasına katı bir silindirik parça yerleştirilir ve sıkıştırarak yüksekliği azaltılır (Şekil 8 a). Bu operasyon yığma olarak da bilinir. Kalıp yüzeyleri yığma sırasında silindirik iş parçasının kenarlarını şekillendirecek şekilde konik veya çukur şekilli yapılabilir. İdeal şartlar altında katı bir silindir, Şekil 8 a’daki gibi deforme olur. Bu homojen deformasyondur. Çünkü hacim sabittir ve yükseklikteki herhangi bir azalma
265 silindir çapını arttırır. Aşağıdaki ifadeler, yüksekliği h0’dan h1’e azalan bir numune için tarif edilebilir.
Şekil 8 - a ) Sürtünmesiz düz kalıplar arasında sıkıştırılan katı bir silindirik numunenin ideal deformasyonu. Bu operasyon yığma olarak da bilinir. b) Kalıp ile iş parçası arasında sürtünmenin mevcut olması halinde yığma. Numunenin silindirik yüzeylerin de meydana gelen bombe fıçılaşma olarak adlandırılır.
266
Yüksekliktekiazalma =
h0 − h1 x100% h0
(1)
mutlak değerler kullanılarak (hacim deformasyon işlemleri durumundaki gibi)
e1 =
h0 − h1 h0
⎛ h0 ⎞ ⎟⎟ h ⎝ 1⎠
ε 1 = ln⎜⎜
(2)
(3)
olarak belirlenir. Düz kalıplar arasındaki bağıl v hızı ile numune kısalmaya maruz kalır.
•
v h0
(4)
•
v h1
(5)
e1 = −
ε1 = −
Eğer iş parçası yüksekliği h0’dan h2’ye azalırsa, 1 indisi 2 ile yer değiştirilir. Numunenin yüksekliği sıfıra yaklaştığı için, kısalma oranı ε, hızlıca artar. Şekil 8 (a)’daki 1 ve 2 pozisyonları sürekli şişirme operasyonları sırasındaki ani pozisyonlar sayılabilir.
267 6.1.1.3- Yığma Gerçek operasyonlarda, Şekil 8 (b)’de gösterildiği gibi numune bir fıçı gibi şekillenir. Yığma, kalıp ve malzeme ara yüzeyinde malzemenin zıt sürtünme kuvvetleri yüzünden dışarı doğru akması ile gerçekleşir. Soğuk kalıplar arasında sıcak işparçalarının şekillendirilmesi sırasında da fıçılaşma, meydana gelir. Numunenin diğer kısmı nispeten sıcak olduğu halde ara yüzeyde malzeme hızlıca soğur. Sıcaklıkla malzemenin mukavemeti azaldığından numunenin kenarları deformasyon merkezine göre büyük bir direnç gösterir. Böylece silindirin merkezi bölgesi kenarlarına göre büyük ölçüde deforme olur. Sürtünme ile sebep olunan bu durum, etkili bir yağlayıcı kullanarak azaltılabilir. Ayrıca, ara yüzeyde bir termal bariyer kullanmak, sıcak şekillendirmede bu durumu azaltacaktır. Yığmada, yine de numune içindeki malzeme akışı üniform ve homojen olmaz. Şekil 9’da gösterildiği gibi çeşitli teknikler kullanılarak ve deneysel yoldan elde edilen modellerle homojen deformasyon sağlanabilir. Kalıp iş parçası arasındaki sürtünmenin yüksek ve yüksekliğin kesit alanına da oranı büyük ise bu durum meydana gelir.
Şekil 9- Şişirmede tane deformasyonunun şematiği a )Orjinal tane modeli b )Sürtünmesiz deformasyondan sonra, c)Sürtünmeli deformasyondan sonra. Böyle deformasyon modelleri, deforme olan bir kütle içindeki şekil değişimini hesaplamak için kullanılabilir.
6. 1. 1. 3. 1 - Kuvvetler ve Deformasyon İşi Bu bölümde şişirme (yığma) için gerekli kuvvet ifadeleri verilecektir. Eğer ara yüzeydeki sürtünme sıfır ve malzeme ( Y ) akma gerilmesi ile süper plastikse, numune üzerindeki normal basma gerilmesi (Y) seviyesinde üniformdur.
268 Herhangi bir ( h1 ) yüksekliğinde kuvvet, F = Y .A1
(6)
dır. Burada, A1 hacim sabitesinden elde edilen kesit alanıdır. Böylece,
A1 = A0 .h0 / h1 olur. Deformasyon işi numune hacminin neticesidir ve özgül enerji (u), ε1
İş = Hacim ∫ σ .dε
(7)
0
Burada ε1 denklem 3’den elde edilir. Eğer malzeme pekleşiyorsa gerçek gerilme-gerçek uzama eğrisi
σ = K .ε n
(8)
ile verilir ve deformasyon sırasında herhangi bir safhadaki kuvvet için ifade,
F= Yf . A1
(9)
olur. Burada Yf, denklem (3)’te verilen gerçek uzamaya karşılık malzemenin akma gerilmesidir. Yapılan iş için ifade, İş=(Hacim)( Y )( ε1 )’dir.
( 10 )
Burada, Y ortalama akma gerilmesidir ve ε1
Y=
K .∫ ε n .dε 0
ε1
K .ε n = n+1
( 11 )
şeklinde ifade edilir. Ara yüzeydeki sürtünme ile kuvvetlerin hesaplanması analitik yaklaşımlar gerektirir. Basit bir analiz metodu, kare ve silindirik numunelerin şişirilmesi için takip edilen ve distorsiyon- enerji kriteri kullanan slab mamül metodudur.
269
6. 1. 1. 3. 2 -Tek Eksenli Şekil Değiştirme Halinde Dikdörtgen Kesitli İş Parçasının Şişirilmesi Genişliği 2a ve yüksekliği h olan dikdörtgen bir iş parçasının sabit kalan derinlik ile (Şekil 10) herhangi bir bölgesindeki normal gerilme ( p ) aşağıdaki şekilde verilir.
p= Y’.e2µ(a-x)/h
( 12 )
Şekil 10 - Tek Eksenli kayma sürtünmesi ile dikdörtgen bir numunenin şişirilmesinde normal gerilme (basınç) dağılımı
Böylece basınç merkezde maksimumdur ve kenarlarda Y’ ye azalır. Y’ tek eksenli düzlemdeki gerilmedir ve ( 2 / 3 )Y ′ ye eşittir. Pekleşen bir malzeme için (12) eşitliğindeki
Y’, Yf’ olur.
Şekil 10’daki basınç - dağılım eğrisinde sürtünme tepesi ortaya çıkar. Bu ifadeden görülebilir ki sürtünmeli basınç, sürtünmesiz olandan yüksektir. Şişirme kuvveti ile oluşan sürtünmeyi yenmek için iş gerektiğinden bu durum normaldir. (12) eşitliğinden görülebilir ki p normal gerilmesi, artan sürtünme ve (a / h) oranı ile artar. Beklendiği gibi, sürtünme katsayısı sıfır olduğunda bu ifade Y’ ye düşer. Şekil 10’daki basınç eğrisi altındaki alan, numunenin birim genişliğine düşen şişirme kuvvetidir. Bu alan integrasyonla hesaplanabilir. Fakat po ortalama basıncı için yaklaşık bir ifade elde edilebilir.
po ≅ Y ' [ 1 + ( µ .a / h )]
( 13 )
Gerekli basıncın belirlenmesinde a / h oranı ve sürtünmenin önemli rolü vardır ( özellikle yüksek
a / h oranlarında). Şişirme kuvveti F, ortalama basınç ile temas alanının fonksiyonudur ve şu şekilde ifade edilir.
F = ( po )( 2a )( derinlik )
( 14 )
270
6.1.1.3.3- Katı Silindirin Yığılması
r yarıçaplı silindirik bir numune için normal gerilme dağılımı Şekil 10’da gösterilene benzer şekildedir. Burada herhangi bir X yarıçapındaki normal p gerilmesi için ifade aşağıdaki şekilde verilir.
p = Ye 2 µ ( r − x ) / h
( 15 )
Ortalama basınç po , yaklaşık olarak şöyle verilebilir.
po ≅ Y [ 1 + ( 2 µ .r / 3.h )]
( 16 )
Böylece yığma kuvveti F = ( po )( π .r 2 )
( 17 )
olur. Pekleşen malzemeler için bu eşitlikteki Y yerine, akma gerilmesi Yf gelir. Bütün ifadeler bir h yüksekliğini içerir. Böylece, sürekli bir yığma operasyonu sırasında herhangi bir h yüksekliğindeki kuvvet ayrıca hesaplanmalıdır. Gerçek dövme operasyonlarında, önceki eşitliklerdeki µ sürtünme kat sayısının , soğuk dövmede 0.05 - 0.1 ve sıcak dövmede 0.1 - 0.2 arasına düştüğü hesaplanır. Tam değer yağlayıcının etkinliğine bağlıdır. Bu değerler, özellikle iş parçası yüzeyinin yağlamasız olduğu bölgelerde ifade edilenlerden yüksektir.
6.1.1.4 - Yapışma (Sıvanma, Blokaj, Tutma)
µ ve p; numunenin merkezinden herhangi bir x mesafesindeki ara yüzeyde sürtünme gerilmesini (yüzey kayma gerilmeleri) doğurur. p, merkeze doğru arttığından µp’de artar. Fakat µp değeri, malzemenin akma gerilmesi k’ dan büyük olamaz. µp = k olduğunda yapışma meydana gelir (düzlem gerilme halinde k’ nün değeri Y’ /2 dir). Yapışma ara yüzeyde adhezyon anlamına gelmemelidir.Yapışma şartı için tek eksenli düzlemde normal gerilme dağılımı şöyle gösterilebilir :
p = Y' [ 1 + ( a − x ) / h ]
( 18 )
271
Şekil 11 -Tek eksenli şekil değiştirme ve yapışma şartlarında dikdörtgen bir numunenin yığılmasında normal gerilme (basınç) dağılımı. Kenarlardaki basınç,akma gerilmesi ( Y’ ) dür. Numunenin yüzeyindeki sürtünmeli kayma gerilmesi onun kaymadaki akma gerilmesine eşittir ve bu yapışma anlamına gelir.
Şekil 11’de gösterildiği gibi basınç, X ile lineer olarak değişir. Şişirmede sürtünmenin ortalama basınç p0 ya etkileri ve numunenin boyut oranları (a / h veya r / h) Şekil 12’de gösterilmiştir. Basınç boyutsuz verilir ve bir basınç çarpan faktörü dikkate alınabilir. Bu eğriler, kullanmaya elverişlidir ve yığma basıncında sürtünmenin önemini ve numunenin boyut oranlarını vurgular.
Şekil 12 -Sürtünmenin bir fonksiyonu olarak, ortalama kalıp basıncının numune akma gerilmesine oranı. a) Tek eksenli - şekil değiştirmede basma, b) Katı silindir bir numunenin sıkıştırılması. Dikkat edilirse bu durum için akma gerilmesi Y’ dür ve (a)’daki düzlem- şekil değişimi gibi Y’ değildir.
272
Tablo 3 - Gerçek gerilme - gerilim ifadesi için oda sıcaklığındaki K ve n değerleri
Çözümlü Problem 1: AISI 4135 çeliğinden yapılmış ve taşlanmış silindirik bir numune 150 mm çap ve 100 mm yüksekliğindedir. Oda sıcaklığında düz bir açık dövme kalıbı ile 50 mm’lik bir yüksekliğe yığılmaktadır. Sürtünme katsayısını 0.2 kabul ederek ve strok sonundaki ortalama basınç formülünü kullanarak gerekli kuvveti hesaplayınız.
Çözüm: (16 ) eşitliğinden ortalama basınç formülü,
273 İş parçası malzemesi soğuk sertleştiğinden Y yerine Yf konulur. Tablo 3’ den K = 1013 MPa ve n =0 .17 olarak alınır. Gerçek şekil değiştirme değeri ε1 = ln (100 / 50) = 0.693
böylece,
Son yükseklik 50 mm’dir ve strok sonunda r yarıçapı , hacim sabitliğinden bulunur.
Bu yüzden p o ≅ 951.8[1 + [(2)(0.2)(106) /[3.50]] = 1086.32MPa Böylece yığma kuvveti,
bulunur. (Bu problemin çözümünde Şekil 12 b de kullanılabilir).
Çözümlü Problem 2: Akma gerilmesi, Y = 150 MPa olan mükemmel plastik bir malzemeden yapılmış bir blok 2a = 0.2 m, h = 0.1 m’lik boyut ve 0.15 m’lik bir derinliğe sahiptir. Blokaj sürtünmesinin olduğunu varsayarak maksimum basıncı hesaplayınız.
Çözüm: Bu problemin çözümü için uygun formül ( 18 )’ dir.
Burada
a = 0.1 mm ; h = 0.1 m ve X = 0 (Maksimum basınç X= 0’ da meydana geldiği için) Böylece
(Bu problem için blok derinliğinin gerekli olmadığına dikkat edilmelidir).
274
6.1.2- Kalıpta Dövme – Basma 6.1.2.1- Kapalı Kalıpta Dövme Serbest kalıpta veya blacksmith dövme, basit ve esnek bir işlemdir. Fakat yavaş oluşunun yanında iş parçasının ölçü ve şekli operatörün melekesine bağlı olduğundan büyük üretim miktarları için uygun değildir. Kapalı kalıpta dövme, metal akışını kontrol etmek için şekillendirilmiş kalıp kullanarak bu zorlukların üstesinden gelir. Bu kalıpların bir yarısı çekice ve diğer yarısı ise örse bağlanır. Isıtılmış metal alt boşluğa yerleştirilir ve üst kalıpla birlikte bir veya daha fazla vuruş yapılır. Böylece metal, kalıp boşluğunu doldurmak üzere akar. Fazla metal, bir çapak şeklinde boşluğun birleşme yüzeyi boyunca kalıp yüzeyleri arasından fışkırır. Dövme tamamlandığında çapak, bir çapak kalıbı vasıtasıyla giderilir. Çoğu dövme kalıpları çeşitli boşluk ihtiva ederler. İlk basma genellikle katlama, kalafatlama veya eğme şeklindedir. Bu işlemler daha sonraki basma işlemlerine uygunluk arzedecek şekilde metali kalıba dağıtırlar. Ara sıkıştırma, metali yaklaşık olarak son şekline getirmek için bloklama denilen işlem yapılır. Son şekil ve ölçü ise, son basma ile verilir. İmal edilen herbir parça, aynı kalıp boşluğunda şekillendirildiğinden, kalıp aşınmasından kaynaklanan farklılık hariç herbiri birbirinin aynıdır. Metal akışı arzu edilen yönde kalıp cidarı tarafından sağlanır ve istenen bir fiber yapı elde edilebilir. Sonuçta, aynı malzemeden dökme veya işlenmiş parçalara göre daha iyi mukavemet ağırlık oranı elde etmek mümkündür. Tahtalı, buharlı ve havalı şahmerdanlar, sıkıştırmalı dövme işlerinde kullanılır. Çekiç-örs düzenlemelerine bir alternatif, çift vuruşlu veya darbeli makinalardır. Bu makinalar iki yatay çekiç ihtiva eder ve çekiçler aynı anda birlikte hareket ederek aralarında iş parçasını döverler. İş, bir örs ile desteklenmediğinden enerji makina temelinde kaybolmaz ve böylece ağır temel ihtiyacı duyulmaz. Ayrıca, makina daha sessiz ve daha titreşimsiz çalışır. Birçok tesisatlarda makinanın çalışması tamamen otomatiktir. İş parçası, indüksiyonla ısıtılabilir, dövme ve çıkarma mekanik olarak yapılır. Sıkıştırmalı dövmede son yıllarda geliştirilmiş bir değişiklik, bir kalıpta dövülmüş ve sıcakken kalıptan çıkarılan döküm bir ön şeklin kullanılmasıdır. Dövmeden sonra çapak alışılmış bir tarzda alınır. Bazı durumlarda tamamen mekanize olmuş dört safhalı işlem kullanılır. (Döküm kalıptan dövme kalıbına taşınır, sonra dövme ve çapak alma yapılır.) Bu işlem demir dışı metaller için kullanılır. Alışılagelmiş kalıpta basma - dövme işlemine bir alternatif, çapaksız dövmedir. Bu, metalin kaçmasına müsaade etmeyen veya çok az çapak oluşturan bir boşlukta metalin deforme edildiği, tam kapalı kalıpta dövmedir.
275
İş parçası boyutunun hassas olması için boşluğun tamamen dolduğundan emin olmak gereklidir. Fakat fazla bir aşırılık gerekmez. Büyük avantajı, alışılagelmiş dövmede meydana gelen çapak oluşumunu (başlama malzemesinin % 20’si) önlemesidir. Sıkıştırmalı kalıpta dövmede, iş parçası kapalı kalıplar arasında yığılırken kalıp boşluğunun şeklini alır. Tipik bir örnek Şekil 13’de gösterilmektedir. Malzemenin bir kısmı dışa doğru akar ve bir çapak şeklinde yayılır. Boyunun kalınlığına oranı fazla olması nedeniyle ( yüksek bir a / h oranına sahip ) çapak, yüksek basınçlara maruzdur. Çapak ile ara yüzey arasındaki yüksek sürtünme, kalıp boşluğunun dolmasını teşvik ettiğinden, malzeme akışında önemli bir role sahiptir. Ayrıca eğer operasyon yüksek sıcaklıklarda sürdürülürse, büyük yüzey / kalınlık oranı nedeniyle çapak iş parçasının hacminden daha hızlı soğur. Böylece çapak, metal hacmine göre daha büyük deformasyon direnci gösterir ve kalıp boşluğunun doldurulmasına yardım eder.
Şekil 13 - Kalıpta dövme(şematik) ve müteakiben temizlenecek olan fazla malzeme şeklinde çapak oluştuğuna dikkat edilmelidir.
Şekil 14’te gösterilen örnek kapalı kalıpta dövmeye ışık tutar. Tam kapalı kalıpta dövme örnekleri Şekil 15’te gösterilmiştir. Çapak meydana gelmez ve iş parçası kalıp boşluğunu tamamen doldurur. Halbuki basma ile kalıpta dövmede, kalıp boşluğundaki fazla metal çapak şekline dönüşür. Bu durum kapalı kalıpta meydana gelmez. Böylece, arzu edilen boyutlarda bir dövme elde edebilmek için malzeme hacminin düzenli kontrolü esastır. Kapalı kalıplarda arzu edilmeyen boşluklar kalıbın tamamen doldurulmasıyla önlenir. Aşırı büyüklükteki boşluklar kalıbın erken tahribatına veya sıkışmasına sebep olabilir.
276
Şekil 14- Kapalı kalıpta dövmede tipik yük-strok eğrisi. Dikkat edilirse çapak oluştuktan sonra yük ani olarak artar. Sıcak dövme operasyonlarında, çapak ince olduğundan(yani küçük h) yüksek gerilmeler oluşur ve dövülen kütleden daha hızlı soğur.
Şekil 15 - Kapalı kalıpta dövme örnekleri. Dikkat edilirse çapak oluşmamıştır. Toz şeklindeki malzemeler de benzer bir operasyonla sıkıştırılabilir.
277
6. 1. 2. 2 – Kuvvetler Çok karmaşık şekillerin kalıpta dövülmesi sebebiyle kuvvetlerin sıhhatlice (hassas) hesaplanması zordur. Pozisyonuna bağlı olarak iş parçasının her bir elemanı farklı şekil değişimi ve hızlarına maruzdur. Mesela, numunedeki şekil değiştirme oranlarının aralığı Şekil 16’da gösterilmiştir. Kesit inceldikçe gerçek şekil değiştirme oranları da yükselir. ( 5 eşitliğinden gözlendiği gibi ) Netice olarak, malzemenin herbir bölgesinde ortaya koyduğu mukavemet seviyesi sadece gerilme ve şekil değiştirme oranına değil, aynı zamanda iş parçasının herbir malzemesinin n ve
m üstellerine de bağlıdır. Basma ile kalıpta dövmede, kuvvetlerin hesaplanmasında birçok zorluk bulunması sebebiyle Tablo 4’de gösterilen basınç düzeltme faktörü Kp devreye sokulmalıdır. Bu faktörler aşağıdaki ifade ile kullanılacaktır.
F = ( K p )( Y f )( A )
( 19 )
Burada F; dövme yükü, A; dövme kesiti (çapak dahil) ve Yf ; malzemenin maruz olduğu gerilme ve şekil değiştirme oranlarındaki akma gerilmesidir. (gerçek gerilme - uzama eğrisinden).
Kalıpta dövme yükü, kalıp strokunun bir fonksiyonu olarak Şekil 14’de gösterilmiştir. Asimetrik iş parçası için, kalıp doldukça kuvvet yavaş yavaş artarken (Şekil 14 b), çapak oluşması yüzünden bu artış daha hızlıdır. Dövülmüş parçanın son ölçülerini ve detaylarını elde etmek için kalıp iyice kapanmalıdır. Bu durumda dövme yükünde ani bir artış görülür. Tablo 4 - Kalıpta dövmede (19) eşitliği için Kp değerleri
Çapak, kalıbın ayrılma yüzeyinde meydana getirdiği ince bir temas kesitine sahiptir. Bu durum, dövme yükünde aşırı bir yükselme olmaksızın çapağın, malzemenin dışarı akışına yeterli direnci göstermesi içindir (kalıbı doldurmaya yardım için).
278
Şekil 16 - Asimetrik bir parçanın sıkıştırmalı bir kalıpta dövülmesi sırasında şekil değiştirme oranının dağılımı. Dikkat edilirse (4) ve (5) eşitlikleri ile belirlendiği gibi aynı kalıp hızlarında ince kesitler daha yüksek şekil değiştirme oranlarına sahiptirler. Şekil değiştirme - hız ilişkisine hassas malzemelerde, deformasyonu devam ettirmek için bu bölgeler malzeme kütlesine göre daha yüksek gerilme seviyeleri gerektireceklerdir.
Çözümlü problem Farzedelim ki çok karmaşık şekilli bir dövme 19355 mm2’lik bir kesite sahip olsun. Eğer presin dövme yükü 10 000 ton ise malzemenin sahip olabildiği maksimum akma gerilmesi nedir? Ne tür malzeme kullanılmıştır?
Çözüm: Bu karmaşık bir dövme olduğundan (19) eşitliği için Kp değeri 12 olarak alınır (Tablo 4). Böylece
Bu seviyede akma gerilmesine sahip çok sayıda malzeme mevcuttur. 422.37 MPa’lık gerçek bir gerilme de, yatay bir doğrultuda çekmek için malzeme, yaklaşık 0.5 gerçek şekil değişim oranında tavlanabilen bakır malzeme veya 0.1’in biraz üzerinde gerçek bir şekil değişimi oranında AISI 1020 çeliği olabilirdi. Böylece aynı akma gerilmesi seviyesine ulaşmak için bakır, çelikten daha fazla sıkıştırılmak zorunda olacaktır.
279
6. 1. 2. 3 –Hassas Dövme Hassas veya çapaksız dövme ile istenen parçanın nihai boyutlarında elde edildiği benzer işlemler, net şekilli dövme işlemleri olarak bilinir (Şekil 17). Müteakiben çeşitli işleme operasyonlarıyla gereksiz fazla bölgeler giderilir. Hassas dövmede özel kalıplar kullanılır ve bu kalıplanmış basma kalıplarından daha hassas işlenir. Hassas dövme, diğer dövme işlemlerinden daha yüksek kapasiteli dövme ekipmanları gerektirir. Alüminyum ve magnezyum alaşımları, düşük dövme kuvvetleri ve sıcaklıklar gerektirdiğinden hassas dövme için özellikle uygundur. Ayrıca bu usulde kalıp aşınması çok azdır ve iyi bir yüzey kalitesi elde edilir. Çelik ve diğer alaşımların hassas dövülmesi daha zordur. Alışılagelmiş ve hassas dövme metotları arasında bir seçim yapmak ekonomik analiz gerektirir. Hassas dövme özel kalıplar gerektirirken, mamül nihai ölçülerine çok yakın şekilde olduğundan çok az işlemeye gerek duyulur.
Şekil 17- Dövme operasyonunun üç temel çeşidi. Nihai mamülü meydana getirmek için hassas dövmede ya çok az işleme gerekir veya işlemeye gerek duyulmaz. En büyük artık malzeme bloklama tip dövmede ortaya çıkar. İstenen son boyutlarında veya ona yakın boyutlu parçaların imalatı mamüle yakın şekilli imalat olarak bilinir. Dövme, püskürtme döküm ve toz metalürji teknikleri yakın şekilli imalat işlerinde en yaygın kullanılan işlemlerdir. Bölme yüzeyi iki kalıp yarısının bölme yüzeyleridir.
Boyutlandırma, dövme ve sünek dökümlerin cidarlarını arzu edilen kalınlığa getirmeyi kapsayan bir operasyondur. Prensip olarak çıkıntılı ve düz malzemeler üzerinde sadece belli bir bölgeyi yeterli deformasyon ile arzu edilen boyuta getirmek için uygulanır. Bu yolla dizayncılar daha az maliyetli imalat metotları kullanarak bir parçanın genel boyut toleranslarını daha serbest yapabilirler. Daha dar boyutlar, bir veya iki basit ve ucuz boyutlandırma operasyonları ile elde edilir. Genellikle boyutlandırma mekanik tahrikli bir preste kalıplar arasında yapılır.
280
6. 1. 2. 4 –Kabartma Kapalı kalıpta dövmenin diğer bir örneği, metalin tamamen kapalı kalıp boşluğunda şekillendiği bronz para yapımıdır. Bir para ya da madalyanın ince detaylarını vermek için gerekli basınç, malzemenin akma gerilmesinin beş veya altı katı kadar yüksek olabilir. Bazı parçalar üzerinde bütün detayları elde etmek için birçok kabartma operasyonları gerekebilir. Yüzey kalitesini iyileştirmek ve parçaların istenen boyut hassasiyetini sağlamak için kabartma işlemi, dövme ve diğer mamüllere de uygulanabilir. Basınç yüksektir ve genellikle çok az şekil değişikliği meydana gelir. Kalıp boşluklarını ve ince yüzey detaylarını tıkadıklarından dolayı kabartmada yağlayıcılar tercih edilmez. Kabartma; bir kalıp seti içine metal yerleştirildikten sonra hareketli erkek bir zımba vasıtasıyla soğuk işlemeyi kapsar. İşlem tam ölçü ve ince detayların istendiği para, madalya ve değişik kalınlıklı diğer mamülleri imal etmek için kullanılır (Şekil 18). Metal ve zımbanın belirli bir süre birlikte tutulması sebebiyle metalin kalıptan taşma ihtimali yoktur. Genellikle 1400 MPa gibi yüksek basınçlar kullanılır. Kalıp veya presin tahribatını önlemek için kalıba konan metalin hacminin hassas olarak ayarlanması gerekir.
Şekil 18- Kabartma işleminin prensibi
6. 1. 2. 5 –Preste Dövme Şahmerdan veya darbeli dövmede harcanan enerji metal akışını gerçekleştirir. Eğer bütün enerji metalin yüzey tabakasının akması için harcanır ve pres temeli tarafından absorbe edilirse iş parçasının iç bölgeleri deforme olmayabilir. Bu sebepten büyük kesitlerin dövülmesi gerektiğinde basınçlı dövme uygulanmalıdır. Bu durumda yavaş ezme hareketi metal kesitince ilerler ve daha üniform metal akışı sağlanır. Fakat kalıbın uzun zaman sıcak iş parçasıyla teması problemler meydana getirebilir. Eğer iş parçası yüzeyi soğursa metal daha mukavemetli ve az sünek olur. Böylece dövme sırasında kırılabilir. Bu problemi minimuma indirmek için basınçlı dövme işlemlerinde ısıtılmış kalıplar kullanılır.
281 Dövme preslerinin mekanik ve hidrolik olmak üzere iki temel tipi vardır ve oldukça ağırdırlar. 445 MN’ a kadar kapasiteli presler ABD’de sürekli olarak kullanılır. Basınçlı dövme, darbeli dövmeden daha az koniklik gerektirir ve bu yüzden boyutsal olarak daha hassastır. Ayrıca preste dövme kalıbın bir kapanmasında yapılabilir.
6. 1. 3. –Şişirme Şişirme, çabuk şeklindeki bir metalin orta kısmının veya ucunun çapını sıkıştırma ile arttırma işlemidir. İmal edilen parça sayısı açısından bütün dövme işlemlerinin en çok kullanılanıdır ve son yıllarda gittikçe yaygınlaşmaktadır. Parçalar yüksek hızlı özel makinalarda sıcak ve soğuk olarak dövülür. Bazı makinalar 250 mm çapında çubukları dövebilir. Birbirini takip eden operasyonlar için parçalar istasyondan istasyona taşınır. Bu tip dövmede; genellikle birçok pozisyon ve boşluğa sahip kanallı kalıplar kullanılır. Isıtılmış çubuğu pozisyona sokmak için kanallı kalıplar hafifçe hareket ettirilir. Başlı bir takım veya zımba, çubuğa karşı boylamasına hareket ederek malzemeyi kalıp boşluğu içinde şişirir. Kalıbın açılmasıyla mamül hemen sonraki işlem için transfer edilir. Bir çubuktan veya tek bir sargıdan çok sayıda parça imal edilebilir. Şişirme makinaları, civatalar ve diğer bağlama elemanları, valfler, kaplinler ve birçok diğer küçük parçalar üzerine baş yapmak için kullanılır. Aşağıdaki üç kuralın (Şekil 19) şişirilecek parçaların dizaynında gözönüne alınması gerekir. 1 - Bir çubuğun bir vuruşta burkulma olmaksızın şişirilebilmesi için kalıp içindeki boyunun (şişirilecek boyun) çubuk çapının en fazla üç katı olması gerekir. 2 - Kalıp boşluğunun çapı, çubuk çapının 1.5 katından daha fazla olmaması kaydıyla çubuk çapının üç katından daha büyük olan boylar başarılı olarak şişirilebilir. 3 - Boyu, çapının üç katından daha fazla olan bir çubuğun şişirilmesinde şişirme kalıbının çapı, çubuğun çapının 1.5 katından daha azdır. Kalıp yüzünün önündeki ara kısımdaki desteksiz metalin uzunluğu çubuk çapını geçmemelidir.
Şişirme Testi Standart bir test, silindirik katı bir numuneyi yığmak ve yüzeyinde herhangi bir çatlama olup olmadığını gözlemektir. Çatlama olmaksızın parça yüksekliğindeki büyük bir azalma metalin dövülebilirliğinin iyi olduğunu gösterir. Yüzeydeki çatlaklar ikinci çekme gerilmeleri yüzündendir. (Malzemeye harici çekme gerilmeleri uygulanmadığı halde şekil değişimi nedeniyle gerilmelerin gelişmesinden dolayı bunlar ikinci diye adlandırılır). Kalıp - iş parçası ara yüzeyindeki sürtünme nedeniyle meydana gelen fıçılaşma ve sürtünme, şişirmede çatlak oluşmasının önemli sebeplerindendir. Şekil 20’de gösterildiği gibi sürtünme, yükseklikteki çok
282 az düşmede bile çatlakları arttırır. Çatlağın 45o’de veya dik olup olmayacağı şişirilmiş (bombeleşmiş) yüzeydeki eksenel
σz gerilmesinin işaretine bağlıdır. Eğer bu gerilme negatif ise
(basma) çatlak 45ode, eğer pozitifse (çekme) boyuna oluşur. Herhangi bir yüzey hatası, malzemenin çentik hassasiyetine bağlı olarak beklenmedik çatlağa sebep olabilir. Tipik bir yüzey hatası boyuna çizik, inklüzyon hataları veya metalin ilk işlenmesi sırasında oluşan bir katlanma şeklindedir.
Şekil 19- Şişirmeli dövmede hakim olan kurallar
Şekil 20 -Yükseklikteki azalma ve sürtünmenin bir fonksiyonu olarak AISI 1045 çeliğinden katı silindirik numunelerin şişirilmesinde çatlama. Eğrinin altında çatlak gözlenmez
283 Şişirme testleri, çeşitli sıcaklık ve şekil değiştirme oranlarında gerçekleştirilebilir. Bu parametreler için optimum aralık özel bir malzeme dövülmesinde açıkça belirlenebilir. Basit bir şişirme operasyonuyla karşılaştırıldığında gerçek dövmede metal, farklı bir gerilmeye maruz kalındığından bu tür testler bir yol gösterici olabilir.
6. 1. 4. –Otomatik Sıcak Dövme Birçok ekipman imalatçısı, haddeleme için bir tarafından oda sıcaklığında çelik çubuklar (8 m boyunda) beslenen yüksek oranda otomatikleştirilmiş şişirme ekipmanları imal etmektedirler. Bu makinalarda 150 mm çap ve 5 kg ağırlığa kadar sıcak dövülmüş, dolu veya içi boş, yuvarlak veya prizmatik parçalar, dakikada 180 parçaya kadar hızlarda öbür uçtan çıkarlar. Giriş malzemesi en ucuz çelik çubuk, sıcak haddelenmiş ve havada soğutulmuş karbonlu veya alaşımlı çeliktir. Çubuk, indüksiyon ısıtıcısı içinden geçirilmek suretiyle 60 saniyede 1200 ve 1300 °C ye ısıtılır. Haddelerde soyulur, parçalara ayrılır ve şişirme, dövme ve nihai delme işlemi için transfer edilir. Küçük parçalar dakikada 180 adet, büyükler 70 adet / dakika hızlarda üretilebilir. İşlem birçok avantajlara sahiptir. Halen düşük maliyetli giriş malzemesi ve yüksek üretim hızları kullanılmaktadır. Minimum işçiliğin yanında mamüllerde çapak meydana gelmediğinden malzeme tasarrufu alışılmış dövmeden % 20 - 30 daha fazladır. Bir tavlama veya normalize işlemine gerek kalmaksızın 1040 °C gibi bitirme sıcaklıkları ile havada soğutma, işleme için uygun bir yapı meydana getirir. Toleranslar genellikle ± 0. 3 mm , yüzeyler temiz ve alışılagelmiş dövmede 3 - 5 olan koniklik açısı burada sadece 1 / 2 ve 1 ° dir. Bir saniyenin 6/100’ü kadar temas zamanı nedeniyle takım ömrü alışılmış dövmenin iki katıdır. Operasyonun verimliliği için çok sayıda mamül imal edilmesi gerekir. Otomatik sıcak dövme ekipmanının tek bir adedi 10 milyon $’ı aşan ilk yatırım gerektirir. Güncel olarak bu teknik soğuk şekillendirmede bitirme operasyonu ile birleştirilebilir. 180 parça / dakika hızlarında ön şekil, sıcak şekillendirme ile gerçekleştirilir. Bunlar son şekline 90 parça / dakikalık hızlarda başka bir makinada soğuk olarak getirilir. Düşük üretim maliyeti, tamlık, yüzey kalitesi ve soğuk bitirilmiş ürünlerde soğuk sertleşme gibi üstünlükler sağlar.
6. 1. 5. –Çeşitli Sıcak Dövme Operasyonları Temel dövme işlemleri bazı tipik örneklerle yukarıda açıklanmıştır. Bu işlemlerin avantaj ve dezavantajları Tablo 5’te verilmiştir. Parçalara arzu edilen şekilleri vermek için diğer birçok dövme operasyonları da uygulanır. Bunların başlıcaları aşağıda açıklanmıştır.
284 Tablo 5- Yaygın dövme işlemlerinin avantaj ve dezavantajları
285
6. 1. 5.1. –Baş Yapma Temel olarak; soğuk, sıcak veya yarı sıcak dövme olarak gerçekleştirilen bu işlemde istenen şekli vermek üzere metal kalıp boşluğuna sıkıştırılır veya bir çubuğun ucu ( genellikle silindirik ucu ) şişirilir. Soğuk baş yapma, çubuk veya tel malzemenin bir ucunu şişirerek civata, çivi, perçin ve diğer bağlama elemanlarının başlarının yapımında kullanılan bir dövme işlemidir. Bu temel örnekler, Şekil 21’de gösterilmiştir. Şekil 22’de gösterildiği gibi işlemin safhalarını, çubuğun kesilmesi, müteakip işlemler için bir tutucu ejektöre bağlanması ve yapılacak başın şekline uygun baş yapma zımbalarıyla bir veya daha fazla strokla şişirilmesi oluşturur. Eğer iki veya daha fazla vuruş gerekirse, stroklar arasında baş yapma zımbaları uygun pozisyonlara döndürülür. İşlem tamamlandığın da kalıptan işi çıkarmak için ejektör açılır. Boy ve çap oranı eğer çok fazlaysa eğilme meydana gelebilir. Şekil 23, bu tür çarpılma ve eğilmeleri önlemek için bazı yolları göstermektedir. Diğer yöntemde uzun bir çubuk ileri sürülür, kıskaca alınır ve baş şekillendirilir. Boyunu kesmek ve işlemi tekrarlamak için çubuk daha da ileri sürülür. Bu yol çivi yapmada yaygın olarak kullanılır. Baş yapma yüksek üretim hızlarında çalışan otomatik yatay makinalarda yapılır. Çubuğun diğer bölgelerindeki geniş kesitleri de bu yöntemle şişirmek mümkündür (Şekil 24). Bu yöntemde hem kalıp ve hem de zımba da ejektör pimi bulunmalıdır.
Şekil 21 - Oyuk kafalı bir civata için baş yapma safhaları. Dikkat edilirse baş, temel olarak bir şişirme operasyonu ile yapılmaktadır. Civata dişleri ise ya işleme ile veya ovma operasyonu ile yapılır.
Ekstrüzyon, eğme, damgalama, oyalama ile diş açma ve tırtıl yapma sırasında çeşitli kalıp tipleri kullanılmak suretiyle çok çeşitli ve nispeten karmaşık parçalara dar toleranslar ve yüksek hızlarla şişirme işlemi uygulamak mümkündür. Böylece ıskarta malzeme önemli oranda azaltılmış olur. Talaş kaldırma yoluyla altıgen çubuktan işlenmiş buji ile, soğuk şekillendirme ile imal edileni karşılaştırıldığında, malzeme, zaman ve maliyetten tasarruf sağlanırken, mamül daha mukavimdir. Bu gerçekler, genellikle şekillendirme ekipmanının pahalı oluşunu geri planda bırakır. Genellikle demir dışı metallerden küçük parçaların şişirilmesinde kullanılan bu yöntem çelikler için de kullanılır ve 45 kg ağırlık, 180 mm çapa kadar parçalar için çok günceldir.
286
Şekil 22 - Bir soğuk baş yapma operasyonunun safhaları
Şekil 23 - Şişirme ve baş yapma operasyonlarında burkulma sınırları. a ) Düz kalıp ile şişirme, b ) Düz kalıp ile baş yapma, c ) Konik olarak ön şekillendirilmiş bir ucun baş yapılması, d) Bir baş kalıbında bir civata başının soğuk şişirilmesi. Bu durumda yatay bir makina, yüksek imalat hızların da cıvata başını şişirmektedir.
Şekil 24 - Bir çubuğun orta kısmını şişirme yöntemi. Şişirme sırasında her iki kalıpta hareketlidir.
287
6. 1. 6. –Kesme Kesme, ergitme, yakma veya talaş kaldırma olmaksızın metallerin, sac veya plaka şeklinde mekanik olarak kesilme işlemidir. Karşılıklı çalışan her iki kesme bıçağı düz kenarlı ise işlem normal kesme olarak adlandırılır. Kesme takımları, eğri kenarlı zımbalar veya kalıplar şeklindeyse işlem, boşaltma, delme, çentme, tıraşlama veya perdahlama gibi diğer isimleri alır. Fakat bunların hepsi esas olarak kesme operasyonudur. Kesme işlemi, Şekil 25’te gösterilmiştir. Sol tarafta gösterildiği gibi zımba (üst bıçak), iş parçası üzerine bastığı zaman metal, alt bıçak (kalıp) içinde deforme olur.
Şekil 25 - Bir zımba ve kalıp vasıtasıyla kesmenin temel mekanizması
Zımba ve kalıp arasındaki boşluk kesilen metal kalınlığının sadece % 5 - 10’u kadar olduğundan bölgesel olarak aşırı deformasyon meydana gelir. Zımba, metal içine girince metal dışarı ve kalıp içine hafifçe akar. Malzeme sünekliliği ve mukavemetine bağlı olarak, bölgesel kesilme metal kalınlığının % 15 – 60’ına ulaştığı zaman uygulanan gerilme kayma gerilmesini geçer ve metal aniden kesilir. Kesme işleminin bu iki safhası, kesilmiş parçaların kenarlarında sıkça görülebilir. Metaldeki homojensizlikler ve kesme ağızları arasında üniform bir boşluğun olmayışı nedeniyle kesme kenarları düzgün olmaz. En zayıf noktalarda kırılma ve yırtılmalar başlar ve kaba kesme kenarları meydana getirerek hemen yakınlardaki noktalara doğru ilerler. Eğer zımba ve kalıp uygun boşluğa sahipse ve hasarsız iseler, daha sonra bitirme işlemine gerek kalmayacak şekilde kesme kenarları düzgün olarak elde edilir. Kesilmiş kenarların kalitesinin daha da iyileştirilmesi için, sacın kesilmeyen kısmı üstten kalıba sıkıca bastırılmalı, zımba ve kalıp arasındaki boşluk minimuma düşürülmeli ve zımbanın tekrar yukarı çıkması sırasında parçanın yukarı doğru hareketi önlenmelidir. Böylece bu kontroller giriş kenarı civarında üniform bir kesme kenarı sağlayacaktır. Kesme işlemlerinde basıncın etkileri üzerine yapılan araştırmalar göstermiştir ki basınç arttığı zaman nispeten daha düzgün kenar elde edilebilmektedir. Belli bir değerin üzerindeki basınçlarda ise % 100 düz kenar elde edilebilir. Şekil 26’da düzgün, ekonomik ve kare şekilde dizayn edilmiş bir işin şematiği görülmektedir. İşlem ince boşaltma olarak bilinir. V - şekilli bir çıkıntı, tutucu veya basınç plakasına bağlanır. İlk önce tutucu, kesilen plaka üzerine bastırılır ve çıkıntı bölgesel bir basınç uygulayarak kesilecek bölgeye yerleşir. Böylece, zımba
288 harekete geçtiğinde metal, kesilme sırasında sıkıca tutturulmuş olur ve böylece düzgün ve kare kesitli kenarlar elde edilir. Kalıp ve zımba arasında genellikle az boşluk bırakılır ve iticinin yukarı hareketi kontrol edilir. Aynı prensibi kullanan benzer fakat daha basit bir teknik, Şekil 27’de gösterilmiştir. Bu teknikte, daha başka operasyonların uygulanması için, uzun bir çubuk besleme deliğine sokularak bir ucundan kesilir. Eğer bir sac belli bir hat boyunca kesilecekse, bir motorla tahrik edilen ve ayak pedallı bir makina kullanılabilir. Zımba aşağı indiğinde, bir tutucu, sacı uygun pozisyona getirmek için makina tablasına bastırır. Hareket eden bıçak, sabit bıçak karşısında aşağıya iner ve metali keser. Büyük parçaların kesilmesinde, bir uçtan diğerine kesmeyi gerçekleştirmek için hareketli bıçak genellikle belli bir açıda çalışır. Böylece, toplam enerji harcaması aynı olmakla birlikte gerekli kesme kuvveti azaltılmış olur. Yarma, dar aralıklarla ve birçok hadde merdanesi ile sac metalin kesilmesinde kullanılan bir kesme işlemidir, Burada kesme bıçakları, hadde merdaneleri üzerinde eş kanallı dairesel şekillidir ve birindeki çıkıntı, karşısındakinin kanalı ile eşleşerek kesme işlemi gerçekleşir. İşlem sürekli, hızlı ve ekonomik olarak yapılabilir. Ayrıca, kesme ağızlarının bitişik kısımları arasındaki mesafe sabit olduğundan diğer yollardan elde edilene göre kesilen şeritin genişliği çok daha hassas ve üniformdur.
Şekil 26- Kesilecek metali bölgesel olarak sıkıştırmak için profilli bir basınç plakası kullanarak düzgün bir kesme kenarı elde etme metodu
Şekil 27- Çubuktan durgun bir parça kesmek için kesme sırasında uygulanan sıkıştırma metodu
289
6. 1. 7. –Delme ve Boşaltma Delme ve boşaltma, kapalı eğri şeklindeki kesme kenarlarına sahip bir zımba veya kalıpla yapılan bir kesme işlemidir. Kesme hareketi temel olarak aynıdır. Başlıca fark ise, Şekil 28’de gösterildiği gibi iş parçasındadır. Boşaltmada zımbalanan parça istenen iş parçasıdır ve büyük çapaklar veya ıskartalar sac üzerinde kalır. Delmede ise zımbalanan parça, ıskartadır ve arta kalan (delinen) şerit istenen parçadır.
Şekil 28- Delme ve boşaltma arasındaki fark
Delme ve boşaltma genellikle mekanik preslerde yapılır. Bir çok delme ve boşaltma değişkenleri vardır ve özel isim alırlar. Parça oyma, metalde profili veya normal delik oluşturabilen bir kesme operasyonudur. Oymanın amacı, müteakip şekil verme operasyonları için yarı mamül metal malzeme çıkarmaktır. Çürütme çok sayıda yakın aralıklı delikler açmadan ibarettir. Çentme, zımbalanarak çıkarılmış parçanın bir kısmını şekillendiren bir operasyondur ve delmeyle aynı esaslıdır. Bir sacın kenarları boyunca istenen şekilli çentiklerin açılmasında kullanılır. Oyma, aynı zamanda, her biri sac metalin içinde kalan ve yan yana bir çentik serisi yapan ve özel bir makinada yapılan özel bir çentme işlemidir. Kesilmiş kenar, açılan çentiğin bir kenarını oluşturur. İşlemi tekrarlayarak, 6.5 mm kalınlığa kadar sac metalden istenen şekil kesilebilir. Oyma makinası basit, ucuz ve verimlidir. Ayrıca, delinmiş bir delikten operasyonu başlatarak sacın iç kısmı boşaltılabilir. Tıraşlama, boşaltılmış bir parçanın kenarı civarında çok küçük çapakları alma operasyonudur. Başlıca amacı daha iyi boyutsal hassasiyet elde etmek olmasına rağmen düzgün bir kesme kenarı elde etmek için de kullanılır. Sadece çok az miktarda metal kaldırıldığından zımbalar ve kalıplar çok dar boşluklu yapılmalıdır. Küçük dişliler gibi parçalar boşaltıldıktan sonra 0.025 mm’lik toleranslarla tıraşlanabilir. Çapak alma; çekme, dövme veya dökümden sonra kalan fazla metali gidermek için kullanılır. Esas olarak boşaltma ile aynıdır. Delme veya kesme kuvveti, zımbanın kesitine, uç şekline (geometrisine), malzemenin akma mukavemetine ve ara yüzeydeki sürtünmeye bağlıdır. Zımba basınçları, akma gerilmesinin 3 - 5 katı olabilir. Delme terimi, bir zımba veya kalıpla deliklerin kesilmesi işlemi için de kullanılır.
290
6. 1. 7.1. –Delme ve Boşaltma Kalıpları Delme ve boşaltma takım setlerinin temel parçaları, bir zımba, kalıp ve bir kılavuz plakasıdır (Şekil 29). Teorik olarak, zımba - kalıp boşluğunun sıfıra yakın, üniform ve kalıba tam uyacak şekilde olması ve iniş strokunda zımbanın kalıba girmesi gerekir. Pratikte ise, boşluk sac kalınlığının % 5 – 12’sidir ve genellikle % 5 - 7 uygulanır. Böylece zımba, kalıp içine az miktarda girer. Çalışma sırasında zımba ve kalıp giriş kısmında, üniform bir boşluk olması için bakım gerekli olabilir. Kalıp genellikle, presin ana gövdesine bağlı olan alt tablasına tutturulur. Zımba ise presin her strokunda kalıbın dışında hareket eden bir başlığa bağlanır. Daha sık olarak zımba, bir zımba tutucuya, kalıp ise bir kalıp papucuna kalıp seti şeklinde bağlanırlar . Tutucu ve pabuç devamlı olarak iki veya daha fazla kılavuz pimi ile kızaklanır. Zımba ve kalıp direkt olarak kalıp setine bağlanır, ayarlanır ve ünite ayarlamayı gerektirmediğinden kalıp kurma zamanı azaltılmış olur.
Şekil 29 - Boşaltma ve oymada temel elemanlar
Zımbanın alnı, hareket eksenine dik doğrultuda taşlanır veya hafif kenarlı olacak şekilde işleme ile şekillendirilir. Zımbanın kesme kenarına sahip oluşu, tüm çevresinin aynı zamanda çalışmaması nedeniyle, gerekli maksimum kesme kuvvetini düşürür. Kesilme miktarı metalin kalınlığı ile sınırlıdır ve genellikle azdır. Kılavuz plakasının fonksiyonu, zımba yukarı doğru hareket ederken metalin zımbaya takılmasını önlemektir. Sac metalin kalıp ve kılavuz plakası arasına kolayca sokulabilmesi için kılavuz plaka, kalıp üzerine yeterli bir mesafede yerleştirilmiştir. Kılavuzdaki delik, zımba çapından büyüktür ve böylece aralarında sürtünme olmaz. Çoğu durumlarda kalıp setindeki zımba tutucu, zımbanın indiği şekilde çıkabilmesi için presin başlığına bağlanmıştır. Küçük kalıp setlerinde zımba ve zımba tutucusunun kalıptan ayrılması için yayların kullanılması daha pratiktir. Bu küçük kalıp üniteleri, alt baskılı kalıplar olarak bilinir. Pres başlığı, zımba tutucunun üst ucunu sabit olarak tutar ve onu aşağı doğru zorlarken yaylar geri dönmesini sağlar. Zımbanın kalıba hızlıca yaklaşması ve geri ayrılması için bu konstrüksiyon kalıp setinin kendisinde bulunur. Böylece çalışma zamanı kısalır. Çok sayıda standardize edilmiş komple kalıp setleri geliştirilmiştir. Büyük ve masraflı kalıp seti gerektiren
291 parçaları imal etmek için bu kalıp setleri pres üzerinde değişik modellerle birleştirilebilir. Zımbalar ve kalıplar genellikle deforme olmayan, havada soğutulmuş takım çeliğinden (hava çeliğinden)
yapılmıştır.
İşlendikten
sonra
tehlikeli
boyutta
çarpılma
olmaksızın
sertleştirilebilirler. İş parçası ve kalıp arasındaki sürtünmeyi azaltmak ve kesildikten sonra parçanın kalıptan serbestçe düşmesini temin etmek için kalıp genellikle açısal boşluk veya pahla techiz edilir. Yüzeyden yaklaşık 3 mm derinliğe kadar bırakılan düzlük kalıp ağzına yeterli mukavemet sağlar ve yüzey taşlanarak kalıp ağzı keskinleştirilebilir. Kalıplar basit fakat pahalı olarak tek parçalı veya kalıp papucuna birlikte bağlanmış parçalar halinde yapılabilir. Çok parçalı kalıp, kalıp yapımını ve herhangi bir tahrip olma durumunda yeniden yapılmasını basitleştirir. Çünkü sadece kırılan parça değiştirilir. Büyük oranda maliyeti düşürülmüş kompleks kalıp setlerinin imal edilebildiği bir çok standart zımba ve kalıp parçaları mevcuttur. Eğer dizayncılar hangi kalıp parçalarının standart olarak mevcut olduğunu belirlerlerse önemli tasarruflar sağlanabilir. Şekil 30’da görüldüğü gibi çelik cetvel (gönye) imalatı, yaklaşık 13 mm kalınlığındaki sacların bir kalıpta kesilmesi suretiyle yapılır. Burada kullanılan kalıp, köşeleri destekli, nispeten ince ve sertleştirilmiş çelik levhadan yapılır. Bir kalıp plakası, alışılagelmiş zımbanın yerini alır ve şeridi tutar. Sentetik lastik ıstampa, kalıp boşluğundan şeridi iterek onun yerini alır. Bu tür kalıplar genellikle rijit kalıplardan daha ucuzdurlar ancak az miktardaki parçaların imalatına uygundurlar. Delme veya boşaltma, Şekil 30’da gösterilen basit zımba ve kalıp tiplerinde yapılır. Hem delme ve hem de boşaltmayı birlikte gerektiren birçok parça, Şekil 31 ve 32’de gösterilen iki kalıp tipiyle imal edilir. Bunların çalışma prensibi, aynı anda delme ve boşaltma ile yapılan basit bir rondelaya şekil verme safhalarını göz önüne getirerek kolayca anlaşılabilir. Kademeli kalıp seti (Şekil 31), daha basit olanıdır. Temel olarak iki veya daha fazla yan yana (tandem şeklinde) monte edilmiş zımba ve kalıp setlerinden ibarettir. Şerit şeklindeki sac ilk kalıba sürülür ve orada, pres başlığı ilk strok için kapandığında delinir. Başlık kalktığı zaman, sac şerit boşaltma zımbası altındaki pozisyona getirilir. Ayar işlemi, önceden zımbalanmış bir deliği merkezleyen bir dayama mekanizmasıyla otomatik olarak yapılır. İkinci strokta başlık indiğinde, boşaltma zımbasının alnındaki merkezleme pimi önceden delinmiş deliğe girer ve hassas ayarlama sağlanır. Zımbanın daha sonraki inişleri ile tamamlanmış rondela şeritten kesilir ve aynı zamanda bir sonraki rondelanın deliği delinir. Bu ikinci parça, zımbanın müteakip strokları ile aynı şekilde imal edilir.
292
Şekil 30- Bir çelik gönye kalıp setinin konstrüksiyonu
Şekil 31 - Bir rondela imalatında kullanılan ve ard arda yapılan delme ve boşaltma işlemi
Şekil 32 - Bileşik bir boşaltma ve delme kalıbında basit bir rondela yapım metodu. Parça boşaltılır (a) ve müteakiben kesilir (b) Boşaltma zımbası kesme için bir kalıp ihtiva eder.
293 Kademeli kalıplar; delme, boşaltma, şekillendirme, oyma ve çekme gibi birçok işlemler için kullanılabilir. Bu kalıplar basit konstrüksiyon avantajlarına sahiptirler. Kırılmış bir zımba veya kalıp, tüm kalıp setinin değiştirilmesini gerektirmediğinden tamirleri ekonomiktir fakat oldukça yüksek hassasiyet gerektiren operasyonlar için bileşik kalıplar kadar yeterli değildirler. Şekil 32’deki gibi bileşik kalıplarda, delme ve boşaltma veya diğer kombinasyonlar, sac şeridin tek pozisyonunda yapılabilir. Bu tip kalıplar daha hassastırlar fakat konstrüksiyonları genellikle daha pahalı ve kırılmaya maruzdurlar. Nümerik kontrollü döner tip zımbalama presleri, levha halindeki metal malzemelere çok sayıda delikler açmak için yaygın olarak kullanılırlar. Bunlardaki koordineli başlıkta 60 çeşit kadar zımba ve kalıp mevcuttur ve arzu edilen operasyona hızlıca adapte edilebilir. İş parçası, iş tablasının X-Y hareket doğrultusunda hareket eder:
6. 1. 8. –Oyma Oyma, bir bloğun yüzeyine, özel bir uç geometrisine sahip sertleştirilmiş bir zımbayı bastırmadan ibarettir. Bu işlem müteakiben tamamlanmak üzere kaba bir kalıp boşluğu meydana getirmek için uygulanır. Açılan boşluk genellikle sığdır fakat daha derin boşluklar için, oymadan önce bölgeden biraz metal işlenebilir. Oyma ile bir boşluk oluşturmak için gerekli basıncın, blok malzemesinin maksimum çekme gerilmesinin yaklaşık üç katı olması gerekmektedir. Böylece gerekli kuvvet;
Oyma kuvveti=3( σç )( A )
( 20 )
olur. Burada ( A ), basılan kesit alanıdır. ( 3 ) çarpanı malzemenin sertliği ile ilgili bir katsayıdır.
6. 1. 9. –Delme ve Boşaltma İçin Uygun Dizayn Eğer imal edilecek parçanın dizaynı sırasında bir kaç basit kuralla birlikte çalışma şartları ve kalıpların bakımı dikkate alınırsa, konstrüksiyon büyük oranda kolaylaşabilir. 1- Eğer tek parça kalıplar kullanılacaksa boşaltma köşeleri mümkün olan her zaman yuvarlatılmalıdır.Parçalı kalıplar için keskin köşeler tercih edilir. 2 -Herhangi bir cidarın veya kesitin genişliği metal kalınlığının en az 1.5 katı olmalı ve asla 2.5 mm’den az olmamalıdır. 3 -Delinecek delik çapları metal kalınlığından veya 0.65 mm’den düşük olmamalıdır. Daha küçük delikler yapılabilir fakat zorluklar çıkarır.
294 4- Delikler arasında veya sac kenarıyla delik arasında en az metal kalınlığı kadar mesafe olmalıdır. 5 -Toleranslar mümkün olduğunca büyük tutulmalıdır. ± 0.08 mm’ nin altındaki toleranslar tıraşlama gerektirir. 6 -Minimum ıskarta için parça modellerini sac levha üzerinde önceden çizmek gereklidir.
6. 1. 10. –Çentme Basamaklı uzatma olarak ta bilinen bu operasyonda çubuğun kalınlığı belli aralıklarla azaltılır(Şekil 33). Bu metotta, temas alanı küçük olduğundan yüksek kuvvetlere gerek duyulmaz. Kalafatlama ve basamak yapma, çubuk şeklindeki malzemenin bazı bölgelerinde kütleyi dağıtmak veya yoğunlaştırmak için uygulanır (Şekil 34).
Şekil 33 - Dikdörtgen kesitli bir çubukta çentme ve basamak yapma operasyonunun uygulanışı. Dikkat edilirse basit bir takımla çubuğun kesiti ve kalınlığı birbirini takip eden çentme operasyonu ile azaltılabilir. Bu işlem aynı zamanda bir basamak yapma işlemidir. Blacksmith, iş parçasını ısıtarak ve küçük artımlarla defalarca çekiçleyerek parçaların kalınlığını azaltmada benzer yöntemi kullanmıştır.
Şekil 34- a ) Dağıtma b) Toplama. Karmaşık şekilli parçaların dövülmesinden önce malzemeyi düzenli olarak kalıp boşluğuna dağıtmak için bu operasyonlara sık sık başvurulur.
295
6. 1. 11. –Kenetleme Kenetleme, kaplar ve kovalar gibi sac metallerin uçlarından birbirine birleştirmek için kullanılır. Şekil 35’de, kullanılan en genel kıvırma tiplerinin bazılarını göstermektedir. Kenetler, elle çalışan küçük tip veya seri şekildeki üretimler için dakikada yüzlerce parça kapasitesi olan büyük otomatik üniteler üzerindeki bir seri küçük merdaneler tarafından yapılır. Aynı yolla sac metaller üzerine kıvırma da yapılabilir. Fakat birçok durumda, dairesel bir eksen üzerinde bölgesel eğme meydana geldiğinden kenet yapma ve kıvırma, çekme işlemini de kapsar.
6. 1. 12. –Merdane İle Dövme Bu işlemde bir çubuğun kesit alanı azaltılır ve çeşitli profillere haiz boşlukları olan bir merdane çifti arasından geçirilerek şekli değiştirilir (Şekil 36). Yuvarlak veya düz bir çubuğun kalınlığında bir azalma ile boyunda uzama sağlayan bu operasyon, akslar, sivri çubuklar, yaprak ve konik yaylar, tabla bıçakları ve çeşitli takımlar gibi parçalara son şekillerini vermek için de kullanılır. Hadde ile dövme, müteakiben diğer dövme işlemleri uygulanacak parçaların ilk dövme operasyonu olarak ta kullanılır. Tipik örnekleri, krank milleri ve diğer otomotiv parçalarıdır. Hadde ile dövme, dönme eksenine göre hafifçe eksantrik şekillendirilmiş kenarları olan iki yarı silindirik merdanelere sahip makinalarda yapılır. Merdaneler açık pozisyonda iken, arasına ısıtılmış çubuk yerleştirilir. Merdaneler yarım dönüş yaptığı zaman çubuk ilerleyerek sıkışır ve haddelenerek merdaneler arasından çıkar. Operatör parçayı daha küçük kanallı diğer bir merdane arasından geçirir ve istenen şekil ve ölçü elde edilinceye kadar işlem tekrarlanır.
Şekil 35- Sac metallerde kullanılan çeşitli tip kenetleme örnekleri
296
Şekil 36- Merdane ile dövmenin şematik durumu. Özel dizayn edilmiş merdanelerle konik parçalar, yaprak yaylar ve bıçaklar yapılabilir.
6. 1. 13. –Eğik Haddeleme Hadde ile dövmeye benzer bir işlem, bilye yapmada kullanılan meyilli (eğik) haddelemedir. Merdane aralığına yuvarlak çubuk veya tel şeklindeki malzeme sürülerek dönen merdanelerle küresel parçalar sürekli olarak şekillendirilir (Şekil 37). Bilyelerin şekillendirilmesi için diğer bir metot, Şekil 38’de gösterildiği gibi, yuvarlak bir çubuktan parçalar keserek onları şişirmektir. Bu işlemden sonra bilyeler taşlanır ve özel işlemlerle parlatılır.
Şekil 37- Eğik haddeleme işlemi ile yataklar için çelik bilyelerin imalatı
Şekil 38- Silindirik bir parçanın şişirilmesi ile çelik bilyelerin imalatı. Çapak oluşumuna dikkat edilmelidir. Bilyeler, rulmanlı yataklarda ve diğer mekanik elemanlarda kullanılmadan önce taşlanır ve parlatılır.
297
6. 1. 14. –Sabit Sıcaklıkta Dövme(İzotermal Dövme) Sıcak kalıpta dövme olarak bilinen bu işlemde, kalıplar malzeme sıcaklığı ile aynı sıcaklığa ısıtılır. Bu şekilde iş parçasının soğuması önlenir. Titanyum gibi bazı malzemelerin akma noktası sıcaklığa kuvvetle bağlı olduğundan malzemelerin düşük akma gerilmesi korunur. Kalıplar genellikle IN- 100 gibi nikelli alaşımlardan yapılır. Bu şekilde iyi boyutsal hassasiyette karmaşık parçalar hidrolik preslerde bir strokta dövülebilir. Mukavemet değişkenleri üniform olmayan deformasyon ve yüzey çatlaklarına neden olur. Böyle malzemeleri sıcak olarak deforme etmek için de formasyonun sabit sıcaklık altında yapılması zorunludur. Kalıplar veya takım, iş parçası sıcaklığına ısıtılmalıdır. Buda mamül kalitesi için kalıp ömrünün azalmasına sebep olur. Deformasyon sırasında oluşan ısının, sıcaklığı üniform ve sabit olarak devam ettirmesi için deformasyon hızı yavaşlatılmalıdır. İzotermal dövme pahalı bir metottur. Bu nedenle belli malzemelerden önemli bir mamülün üretilmesi için kullanılır fakat üretilecek miktarın kalıp maliyetini karşılayacak şekilde yüksek olması kaydıyla karmaşık şekilli pahalı malzemelerin dövülmesinde ekonomik olabilir.
6. 1. 15. –Eğik Eksenli ( Salınımlı ) Haddeleme Kalıbın bir yörünge etrafında hareket ettiği ve parçanın artan bir şekilde dövüldüğü veya şekillendirildiği nispeten yeni bir işlemdir (Şekil 39). Bu işlemde kalıp iş parçasının sadece bir kısmı ile temastadır. Dönel dövme diye de adlandırılan bu işlem, dişliler, volanlar ve yatak halkalarının şekillendirilmesinde kullanılır.
Şekil 39 -Orbital dövme işleminin şematiği.
298
6. 1. 16. –Daraltma Bu işlemde (dönel daraltma veya radyal dövme olarak ta bilinir) katı bir çubuk veya bir borunun çapı iki veya dört kalıbın karşılıklı radyal hareketi ile düşürülür (Şekil 40). Kalıp hareketleri genellikle bir bilezik içindeki merdane setinden elde edilir. Borunun iç çapı ve kalınlığı Şekil 41’de gösterilen biçimde mandrelle veya mandrelsiz kontrol edilebilir. Mandreller boyuna kanallı olarak yapılabilir (yivli bir mile benzer) böylece içi profilli borular da şekillendirilebilir (Şekil 42). Silah namlularındaki yivler, spiral kanallı bir mandrel üzerinde sıkıştırarak yapılır. Geniş çaplı silah namlularını daraltmak için işlem genellikle yaklaşık 20 mm’lik bir çapla sınırlıdır. Bu işlemde mamül boyu, mandrelin boyu hariç (eğer gerekliyse) sınırlı değildir. Kalıp açıları genellikle sadece birkaç derece ve bileşik olabilir. Yani kalıp, daraltma sırasında en iyi malzeme akışı sağlamak için birden fazla açıya sahip olmalıdır. Yağlayıcılar yüzey kalitesini iyileştirmek ve kalıp ömrünü arttırmak için kullanılır. İşlem genellikle oda sıcaklığında yapılır. Daraltma ile üretilen parçalar iyi mekanik özelliklere ve iyi boyutsal hassasiyete sahiptir. Bir tüp veya çubuğun çapını düşürmek için bir kalıp içinde basınç uygulamak gereklidir. Burada kalıp bir çekiç rolü oynar ve tekrarlanan vuruşlar metali iç tarafa akıtmaya ve kalıbın şeklini almaya zorlar. Şekil 43, bir gaz tüpünün ucunu şekillendirmek için daraltma uygulanmasını göstermektedir.
Şekil 40- Daraltma işleminin şematiği. (a)Yan görünüş (b)Ön görünüş (c)Merdane düzlemlerinin şematiği
299
Şekil 41- Daraltma ile boruların iç ve dış çaplarının azaltılması. (a)Bir mandrel olmaksızın serbest daraltma. Katı bir çubuk veya telin uçları konik bir kalıp içinde malzemeyi beslemek için konikleştirilir. (b)Bir mandrel üzerinde daraltma. Farklı malzemelerden imal edilmiş boruların v.b.parçaların imalatında kullanılır.
Şekil 42 - Şekilli mandrel üzerinde sabit cidar kalınlıklı boru malzemeleri sıvıyarak üretilen tipik kesitler
Küçük silah namlularının yivleri, özel şekilli mandrel kullanılarak bu yöntemle yapılır. Müteakiben, şekillendirilmiş namlular mandrel üzerinden kaydırılarak çıkartılır.
Şekil 43 -Bir silindirin ucunu şekillendirmek için daraltma safhaları.
6. 1. 17. –Dövme Kalıpları Uygun dövme kalıplarının dizaynı ve kalıp malzemelerinin doğru seçilmesi önemli tecrübe gerektirir. Dövme kalıplarıyla ilgili önemli faktörler aşağıda açıklanmıştır.
6. 1. 17.1. –Kalıp Dizaynı Dövme kalıplarının dizaynı iş parçası malzemesinin mukavemeti ve sünekliliği ile ilgili bilgiler gerektirir. Malzemenin şekil değiştirme oranı, sıcaklığa duyarlılığı ve sürtünme özelliklerinin bilinmesi gerekir. Yüksek dövme yükleri altında kalıp çarpılması, özellikle dar toleranslar gerekliyse, kalıp dizaynında önemli bir faktör olabilir. Kalıp dizaynında önemli bir kural, iş parçası malzemesinin en az direnç yönünde akacağının bilinmesidir. Böylece malzemeyi, kalıp boşluğunu düzenli bir şekilde doldurması için dağıtma yaygın bir pratiktir. Bir biyel kolunun dövülme örneği Şekil 44’de gösterilmiştir. Yuvarlak bir çubukla başlayarak, ilk olarak çubuk yukarıda açıklanan tekniklerin biriyle ön şekillendirilir ve sonra iki ilave dövme operasyonu ile
300 son şekline getirilir. Bunu tıraşlama takip eder. Malzemenin düzenli dağılımı kalıp boşluğunu doldurabilmek ve parçayı elde etmek için önemlidir. Diğer ara kademeli işlem örnekleri Şekil 45’ de gösterilmiştir.
Şekil 44-İçten yanmalı bir motorun biyel kolunun dövülerek şekillendirme safhaları. Kalıp boşluğunu düzenli olarak doldurmak için gerekli olan fazla metal miktarı göz önüne alınmalı
Bu şekillerin seçilmesi, tecrübe ve dövmenin her bölgesinde kesit alanı hesaplamayı gerektirir. Orta dövme operasyonu için kalıplar; bloklayıcı kalıplar olarak adlandırılır. Kalıp boşluğunu düzenli olarak doldurmak için gerekli metal hacmini hesaplamada dikkat gerektiği açıktır (Şekil 17). Bir vagon tekerleği yapmayı içine alan operasyonlar zinciri Şekil 46’da gösterilmiştir ve çeşitli parametreler aşağıda tarif edilmiştir.
Şekil 45-İki farklı parçanın dövülmesindeki ara safhalar. (a)H Kesiti (b) Krank mili Bu ara safhalar malzemeyi yaymak ve kalıp boşluğuna düzenli olarak doldurmak için önemlidir. Krank milleri döküm işlemleri ile de imal edilebilir.
301 Bölme yüzeyi iki kalıp yüzeyinin karşılaştığı hattır. Basit simetrik şekiller için bölme hattı dövme merkezinden geçen bir doğrudur. Karmaşık şekiller için kademeli (eğri) olabilir. Bölme hattı için uygun bir yer seçimi parçanın şekline, metal akışına ve çapak oluşumuna bağlıdır. Çapak ve çapak kanalının önemi büyüktür. Yana doğru akışından sonra setin uzunluğu sebebiyle çapağın çapak kanalına akmasına müsaade edilir. Böylece fazla çapak dövme yükünü gereksiz şekilde arttırmaz. Kalıplar arasındaki çapak boşluğu için açılan genel bir kılavuz hattı parça kalınlığının % 3’ü dür. Set boyu genellikle çapak boşluğunun 5 katıdır. Koniklik açısı, kalıptan parçanın kolay çıkarılmasını kolaylaştırmak için hemen hemen bütün dövmelerde kullanılır. Koniklik açıları genellikle 3-10 derece arasındadır. Parçanın soğuması radyal yönde, diğer yönlerden fazla olduğundan iç koniklik açıları, dış koniklik açılarından büyük seçilir. Bu durumda iç açılar 7-10 derece; dış açılar 3-5 derece arasındadır. Yuvarlatmalar kalıp boşluğunda metalin düzgün akışını sağlamak ve kalıp ömrünü iyileştirmek için önemlidir. Köşeler ve pervazlarda uygulanır. Küçük yuvarlatmalar, metal akışını zorlaştırdıkları ve gerilme yığılması ile termal etkilerden dolayı aşınmayı hızlandırdıkları için genellikle istenmezler. Pervazdaki küçük yarıçaplı geçişler kalıbın yorulmasına ve çatlamasına sebep olur.
Şekil 46-Bir vagon tekerleğinin imalatındaki safhalar. Bu tekerlekler dökülerek de imal edilebilir.
Eğer dövme kapalı kalıpta yapılacak ise, göz önüne alınması gereken çok sayıda önemli faktör vardır. Bunların çoğu dizaynla ve yapımı oldukça pahalı olan, genellikle yüksek alaşımlı veya takım çeliğinden yapılan dövme kalıplarının yapımı ile ilgilidir. Çarpma, aşınma direnci, yüksek sıcaklıklarda mukavemet ve hızlı değişen ısınma ve soğumaya dayanma kabiliyeti dikkate alınmalıdır. Dövme dizaynında daha iyi ve daha ekonomik sonuçlar, aşağıdaki kurallar göz önüne alınırsa elde edilebilir.
302 1-Kalıbın bölme yüzeyi, eğer mümkünse tek bir düzlemde olmalıdır. 2-Bölme yüzeyi dövme merkezinden geçen bir düzlemde olmalı, alt veya üst kenara yakın olmamalıdır. 3-Uygun bir koniklik sağlanmalıdır (Alüminyum için en az 3o ve çelik için en az 5°- 7°). 4-Çokça pervaz ve yuvarlatmalar sağlanmalıdır. 5-Kanallar sığ ve geniş olmalıdır. 6-Metal akışında aşırı farklılıkları önlemek için çeşitli kesitler dengelenmelidir. 7-Fiber akış hatlarının (lifli yapı) tüm avantajları elde edilmelidir. 8-Boyutsal toleranslar gerekli olandan daha dar olmamalıdır. Ara safhalar veya her bir şeklin sayısı, kalıbın tamamen dolması için gerekli metal miktarı ve safhalardaki çapak boyutları gibi dizayn detayları tecrübe gerektirir. Her bir parça yeni bir dizayndır. Kapalı kalıpta dövme için kalıp dizaynında iyi boyutsal hassasiyet sağlanmalıdır. Fakat hatırlanmalıdır ki bölme yüzeyinin ötesindeki boyutlar kalıp aşınması ve bölme yüzeyinin uygunluğuna
bağlıdır. Sıfıra yaklaşan koniklik açıları özel bazı dizaynlarda kullanılabilir.
Dövülen kütle ağırlıklarına göre uygun toleranslar Tablo 6’ da verilmiştir.
Tablo 6-Çelik dövmede kalınlık toleransları
303 Nihai mamülü elde etmek için, ya işleme gerekmez ya da çok az gerektirir. Bloklayarak dövmede en fazla çapak oluşur. Arzu edilen son şekilde veya ona yakın parçaların üretimi yakın şekilli imalat olarak bilinir. Bölme yüzeyi, kalıp yarılarının karşılaştığı yerdir.
6.1.17.2. Kalıp Malzemeleri Dövmelerin çoğu, özellikle büyük boyutlu olanlar, sıcaklıklarda yapıldığından kalıp malzemelerinin bazı özelliklere sahip olmaları gerekir. Bunlar, yüksek sıcaklıklarda mukavemet ve sağlamlık, sertleşebilirlik, mekanik ve termal şoka direncidir. Aşınma direnci, özellikle ısıtılmış malzemelerde kav tabakasının bulunuşu abrasiv aşınma direncinin önemini arttırır. Kalıp malzemelerinin seçimi, kalıp boyutu, iş parçası bileşimi ve özellikleri, karmaşıklığı, dövme sıcaklığı,operasyon tipi, kalıp malzemesi maliyeti ve dövülecek parça sayısı gibi faktörlere bağlıdır. Ayrıca kalıbın ısı transferi ve çarpılması da önemli faktörlerdir. Kalıplar, düzensiz ısı transferi, uygun olmayan dizayn, aşırı ısınma ve sıcak çatlama (termal çatlaklar), fazla oranda aşınma ve aşırı yükleme gibi faktörler etkisi ile tahrip olabilir. Kırılmayı azaltmak ve ısı kontrolü için kalıpların 150-260 oC civarındaki sıcaklıklara kadar ön ısıtılması gerekir. Yaygın kalıp malzemeleri Cr, Ni, Mo ve V ihtiva eden takım ve kalıp çelikleri (Tablo 7-8-9) Şekil 47’de görüldüğü gibi sıcak dövme kalıplarının aşınması birçok mekanizmayı kapsar. Kalıp aşınması gerilme seviyesi, sıcaklık, izafi hareket ve temas zamanı gibi faktörlere bağlıdır.
Şekil 47- Sıcak dövme kalıplarında gözlenen aşınma tipleri. Dikkat edilirse bir kalıp çjftinde aşınma kalıp yüzeyindeki yerleşmeye bağlı olarak beş farklı mekanizma ile meydana gelir.
304 Tablo 7-Metal işlemede kullanılan tipik takım ve kalıp malzemeleri
305 Not : Takım ve kalıp çelikleri genellikle soğuk şekillendirme için 55-65 HRC’ ye, sıcak şekillendirme için 30-55 HRC’ ye sertleştirilir. Takım ve kalıp çelikleri Cr,Mo,W ve V gibi alaşım elementlerinden birini veya birkaçını ihtiva ederler. Tablo8-Yaygın takım ve kalıp çeliklerinin bileşimleri ve tipik uygulamaları
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
* Bir önceki tablodaki malzemeleri temsil eden sıra numarasıdır.
6.1.17.3. Yağlama Dövmede yağlama önemli bir faktördür. Sürtünme, aşınma ve metalin kalıp boşluğuna akışını etkiler.Yağlayıcılar iş parçası ve nispeten soğuk kalıp arasında bir termal bariyer olarak görev yapar. Ayrıca iş parçasının soğuma hızını yavaşlatır. Yağlamanın diğer bir önemli rolü ise ayırma maddesi gibi davranarak parçanın kalıba yapışmasını önlemektir. Dövmede çok çeşitli yağlayıcılar kullanılabilir. Sıcak dövme için grafit, mobilden disülfit ve bazen camlar yağlayıcı olarak yaygın şekilde kullanılır. Soğuk dövmede mineral yağlar ve sabunlar yaygın yağlayıcılardır.
322
Tablo 10 Metal işleme Operasyonlarında Yaygın Olarak Kullanılan Yağlayıcılar
323
Tablo 10 Yağlayıcılar ( Devamı)
324
6.1.18. Dövülebilirlik Bir metalin dövülebilirliği, çatlama olmaksızın dövülerek şekillendirme kabiliyeti olarak tarif edilebilir. Bu tarif metalin akma mukavemetini kapsayacak şekilde genişletilebilir. Böylece iyi dövülebilir bir malzeme düşük kuvvetlerle çatlama olmaksızın şekillenebilen malzemedir. Hiç bir test üniversal kabul edilmemesine rağmen dövülebilirliği ölçmek için bir çok test geliştirilmiştir. En yaygın olanı sıcak burma testidir.
Sıcak Burma Testi: Bu testte silindirik bir numune tahrip olana kadar sürekli burulur. Test çeşitli sıcaklıklarda ve her bir numunede hasar görülene kadar numune belli sayıda döndürülerek uygulanır. Optimum dövme sıcaklığı, Şekil 48’de gösterildiği gibi bir noktadan belirlenir. Bu amaçla şişirme testi de kullanılabilmesine
rağmen,
çeliklerin
dövülebilirliğini
belirlemede
faydalıdır.
Metalin
bileşimindeki küçük değişiklikler veya metaldeki safsızlıkların dövülebilmede önemli bir etkiye sahip olduğu testlerle gözlenmiştir.
325
Şekil 48 (a) Karbonlu çeliklerde sıcak burma testine karbon içeriğinin etkisi. (b)Düşük karbonlu çeliklerde sıcak burma testine kükürtün etkisi. Dikkat edilirse hala çok az olmasına rağmen kükürt miktarında iki kat artma kırılmayı sağlayan burma sayısını düşürür böylece dövülebilirlik düşer.
Şekil 48 (b)’de görüldüğü gibi düşük karbonlu çeliklerdeki sülfür miktarında hafif bir artış burulma sayısını önemli oranda düşürür. Fakat burulma mukavemeti, çelikteki manganez ihtivasının arttırılması ile iyileştirilebilir.
6.1.18.1-Çeşitli Metallerin Dövülebilirliği Birçok metal ve alaşımın dövülebilirliliği çeşitli testler neticesinde aşağıda listelendiği gibi belirlenmiştir. Bunlar metalin sünekliliği, mukavemeti, gerekli dövme sıcaklığı, sürtünme
Azalma
davranışı ve elde edilen dövmenin kalitesi gibi faktörlere bağlıdır.
326
6.1.18.2-Dövme Sıcaklığı Çeşitli metaller için dövme sıcaklık aralıkları Tablo 11’de verilmiştir. Tablo 11 - Çeşitli Metaller İçin Dövme Sıcaklık Aralıkları
6.1.18.3-Hidrostatik Basıncın Dövülebilirliğe Etkisi Hidrostatik basınç, metal ve metal olmayan malzemelerin sünekliliği üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Deneyler göstermiştir ki, yüksek hidrostatik basınç ortamında dövülebilirlik iyileşmektedir. Bu tür testlerin yüksek sıcaklıkta gerçekleştirilmesi zor olmasına rağmen, olayın avantajlarına sahip olmak için yüksek bir basınç ortamında metallerin dövme teknikleri geliştirilmektedir. Basınç iletme ortamı genellikle düşük mukavemetli sünek bir metaldir.
6.1.19-Dövme Hataları Dövme sırasında meydana gelen yüzey çatlaklarına ilave olarak kalıp boşluğunda malzemenin akış şekline göre dövmede başka hatalar meydana gelebilir. Şekil 49’daki örnekte malzemenin kalıp içinde akışı ekstrüzyon hatası olarak bilinen bir boşluk meydana getirir. Şekil 50’deki bir parçanın göbeğindeki fazla malzeme dövme sırasında buruşur ve çentikli bölgeler oluşur. Göbek kalınsa fazla metal, parçanın dövülmüş kısmını çeker ve iç çatlaklar oluşur (Şekil 51). Bu örnekler malzemenin düzenli dağılımının önemini ve kalıp boşluğunda akışın kontrol edilmesi gerektiğine işaret eder. Kalıp boşluğundaki yuvarlak kısımlar hataların oluşmasında büyük etkiye sahiptir. Şekil 52’de gösterilen örnekte malzeme geniş bir yuvarlak köşeyi takip eder. Küçük yuvarlatmalar da malzeme kendi üstüne katlanır ve soğuk katlanma olarak adlandırılan bir binme meydana gelir. Çalışma sırasında bu tür hatalar yorulma tahribatı, korozyon ve aşınma gibi diğer problemlere sebep olabilir. Dövülmüş parçanın kullanılmadan önceki denetiminin önemi, özellikle kritik uygulamalarda ortaya çıkar. Bu kusur dövmenin kalitesinde dikkate alınmamasına rağmen diğer önemli bir konu tane akış şeklidir.
327 Tane akış hatlarının yüzey çevresine ulaştığı durumlar olabilir. Böylece tane sınırı çevreye açılmış olur. Bunlar uç tane olarak bilinir ve çalışma sırasında ortam tarafından tutulur ve böylece kaba bir yüzey oluşur. Ayrıca gerilme kaynağı olarak da davranır. İş parçasının kalıp boşluğuna uygun yerleştirilmesi ve malzeme akışının kontrolü ile kritik parçalar da uç tanenin önlenmesi gerekir. Bir dövmede malzemenin çeşitli yönlerde akması ve sıcaklık değişimleri sebebiyle özellikleri genellikle anizotropiktir. Şekil 53’ten de görülebileceği gibi mukavemet ve süneklilikte önemli değişimler dövülmüş parçanın farklı bölgelerinden ve yönlenmelerinden alınan test numunelerinde gözlenir.
Şekil 49-Kalıp boşluğu içinde malzeme akış modelinden dolayı dövmedeki hata. bu hata ekstrüzyon hatası veya borulaşma hatası olarak bilinir, Borulaşma terimi döküm ingotlarındaki hataya benzer olduğu için verilmiştir.
Şekil 50-Dövme sırasında orta kısmın katlanmasından dolayı oluşan çentikler. Bu problemin çözümü orta kısmın ilk kalınlığını arttırmakla sağlanabilir
Şekil 51-Aşırı büyük dikdörtgen bir malzemenin dövülmesi sırasında oluşan iç hatalar. Kalıp boşlukları doldurulur ve deformasyon devam ettiği için parçanın merkezindeki malzeme dolmuş bölgeyi geçerek akar.
328
Şekil 52-Dövmede hata oluşmasına kalıp geçiş kısmının etkisi. Küçük geçişler şekildeki sağ gözde görülen hatalara sebep olur
Şekil 53- AZ 61 Magnezyum dövme alaşımında çeşitli bölge ve yönlerden alınan beş çekme numunesinin mekanik özelliği
6.1.20-Dövme Ekipmanları Çeşitli dizayn, kapasite ve hız - strok özelliklerinde bir çok dövme ekipmanı mevcuttur (Tablo 12). Çok çeşitli soğuk şekillendirme operasyonlarını gerçekleştirmek için bir çok pres tipleri geliştirilmiştir. Bir uygulama için bir pres seçilirken gerekli kapasite, güç kaynağının hidrolik veya mekanik oluşu ve pres başlığına güç aktarma metodu (tahrik tipi) gibi hususların göz önüne alınması gerekir. Aşağıdaki tablo mevcut değişik tipleri sergilerken Şekil 54, önemli tahrik mekanizmalarını göstermektedir. Genelde mekanik tahrikler, hidrolikten hızlı hareket ve daha pozitif yer değiştirme sağlar. Halbuki daha büyük kuvvetler, daha esnek şekilde hidrolik tahrikle daha kolay elde edilir.
329 Tablo 12-Çeşitli tipteki dövme ekipmanlarının özellikleri
Şekil 54-Mekanik preslerin değişik tahrik mekanizmalarının şematik gösterilişi.
6.1.20.1-Mekanik Presler Mekanik preslerin stroku sınırlıdır. Krank veya eksantrik tipte olanların hızları maksimum bir strok sonunda sıfır olur (Tablo 13). Mevcut kuvvet, strok pozisyonuna bağlıdır ve tabanda oldukça yüksektir. Böylece uygun ayarlama ile takımın veya kalıbın tahrip olmaması sağlanır. En büyük mekanik pres 120 MN’luk bir kapasiteye sahiptir. Krank tahrikli presler basitliklerinden dolayı en yaygın tiplerdir. Bunlar çoğu zaman delme,boşaltma ve basit çekme işlemleri için kullanılır. Çift kranklı presler çok maksatlı kalıplarda malzeme tutucu ile birlikte kullanılır. Eksantrik veya kam tahrikliler sadece kısa zımba kursları gerektiği zaman kullanılır. Kam tahrikliler strok sonunda aynı yerde kalabilir. Kardan kavramalı olanlar çok yüksek mekanik avantaj sağlar. Oynak mafsallılar tutucu ile birlikte çekme işlemlerinde kullanılır. Şekil 55’de bir eksantrik pres görülmektedir.
330
Şekil 55(a) Eksantrik tahrikli mekanik bir presin şematiği. (b) Krank tahrikli bir pres Dönel hareket gidip gelme hareketine dönüştürülür.Bu preslerde kavrama ve fren eksantrik bir mil üzerine yerleştirilmiştir.
6.1.20.2-Hidrolik Presler Birçok boyut ve çeşitte hidrolik presler mevcuttur. Şekil 56’da basit bir hidrolik pres görülmektedir. Hemen hemen sınırsız kapasiteleri dolayısıyla en büyük çekme presleri hidroliktir. Birçok hidrolik silindir kullanarak yükler zımbaya kontrollü olarak uygulanabilir. Tutucuya arzu edilen kuvvet ve zamanlama bağımsız olarak uygulanabilir. Hidrolik presler nispeten yavaş olmalarına rağmen yüksek hızda boşaltma operasyonları için dakikada 60 stroka kadar olanları mevcuttur. Bu özelliğinden dolayı sabit bir düşük hıza sahiptir ve yük sınırlıdır. Büyük miktarda enerji strok sırasında iş parçasına transfer olabilir. Böylece hidrolik presler ekstrüzyon tipi dövme işlemlerinde ideal olarak kullanılabilir. Zımba hızı strok sırasında değişir. Bu presler hem açık hem de kapalı kalıpta dövme operasyonu için kullanılır. En büyük mevcut hidrolik pres 670 MN’luk bir kapasiteye sahiptir.
331
Şekil 56-Basit bir hidrolik pres
6.1.20.3.- Pedallı Presler Ayakla çalışan ve pedallı pres olarak adlandırılan presler çok hafif işler için kullanılır. Bir volandan aldıkları enerjiyle tahrik olurlar. Dövme yükü dik bir vida vasıtasıyla transfer edilir. Bu preslerin enerjisi sınırlıdır ve birçok dövme operasyonları için kullanılır. Özellikle az miktarda üretilecek ve tamlık gerektiren parçalar (Türbin kanatları) için uygun olup ayrıca zımba hızının kontrolü de mümkündür. En büyük pedallı pres 160 MN’luk bir kapasiteye sahiptir. Tablo 13-Çeşitli dövme ekipmanlarının özellikleri
332
6.1.20.4-Pres Gövde Tipleri Pres seçiminde önemli diğer bir mesele gövde tipidir. Çünkü gövde, yapılacak iş parçası şekli ve boyutunu belirler. Kemer şeklinde bir gövde taşıyan vidalı presler markalama operasyonları için bugün çok az kullanılır. C şeklindeki bir gövdeye sahip boyunlu presler, kalıplar için iyi oturma boşluğu sağlar ve prese büyük malzemenin sokulmasına müsaade eder. Bunlar geniş bir boyun aralığında yapılır ve kapasiteleri 8.90’dan 220 kN’a kadar olabilir. Bu presler, biri çalışırken, prese yerleştirilecek ikinci bir kalıp takmaya imkan veren kaymalı bir destek plakası da taşırlar. Pres başlığında bir kalıp setinin zımba bölümünü çözmek için sadece birkaç saniyeye ihtiyaç vardır. İkinci kalıp seti pozisyonuna getirilir ve pres başlığına bağlanır. Masa presleri küçük, eğilebilir, deve boyunlu preslerdir. 8.90’dan 71.2 kN kapasitesindedirler ve bir tezgah üzerine monte edilebilir. Kenetleme, zımbalama, perçinleme gibi operasyonlar için eğimli ve silindirik iş parçaları boynuz üzerine yerleştirilebilir. Bazı tiplerinde hem boynuz hem de gövde vardır ve gerekmediği zaman boynuz kenara bırakılır. Döner preslerde değiştirilmiş bir boynuz konstrüksiyonu kullanılır. Fakat, birçok kalıp ve zımba taşıyan üst ve alt döner tablaya sahiptir. İki döner tabla, arzu edilen takımın çabukça istenen pozisyona getirilebilmesi için dişli ile irtibatlıdır. Diğer bir tip, üzerinde kalıp tipleri bağlanmış tek bir döner tabla ihtiva eder. Çok geniş aralıklı boyut ve dizaynda düz tablalı presler mevcuttur. Bu tip gövde, çoğu hidrolik ve büyük boyutlu özel mekanik tahrikli presler için kullanılır.
6.1.20.5-Özel Presler Özel tip operasyonları gerçekleştirmek için dizayn edilmiş bir çok presler mevcuttur. İki ilginç örnek, transfer ve çok ayaklı preslerdir. Transfer preslerine kenardan kenara birçok kalıp seti monte edilebilir. Her bir kalıp seti kendi başına ayarlanabilir.
Şekil 57-Transfer preslerinde kullanılan transfer mekanizmaları.
333 Malzeme ilk kalıp istasyonundan otomatik olarak beslenir. Her bir zımba, stroku tamamladıktan sonra parça Şekil 57’de gösterilen mekanizma ile bir sonraki kalıp istasyonuna otomatik ilerleyerek transfer edilir. Bu tip presler 1500 parça/saat gibi yüksek üretim hızlarına sahip oldukları gibi aynı zamanda çok esnektirler. Sac metal parçaların damgalanması ve çekilmesi peş peşe yapılabilir. Şekil 58’de gösterilen çok silindirli makina, yatay olarak hareket eden bir seri eğme veya şekillendirme ünitelerini ihtiva eder. Şematik diyagramda gösterildiği gibi, bu üniteler makinanın dört tarafına yerleştirilen dört mil üzerindeki kamlar ile tahrik edilir. Şaftlar ise konik dişlilerle tahrik edilir. Kangal şeklindeki şerit malzeme makinaya otomatik olarak verilir ve ilerlerken delinir, çentilir, eğilir ve çeşitli dilimleme istasyonlarında kesilir. Yaklaşık 75 mm genişliğinde ve 2.5 mm kalınlığındaki şerit malzeme ve 3 mm çapa kadar teller yaygın olarak işlenir. Menteşeler, halkalar (zincir), mandallar (kelepçe), jiletler vs. parçalar bu tür makinalarda çok yüksek hızlarda işlenir.
Şekil 58-Çok üniteli bir makinanın çalışma mekanizmasının şematiği.
6.1.20.6-Prese Malzeme Verme Pres operasyonlarında elle besleme hala kullanılmasına rağmen, operatör güvenliğini iyileştiren ve verimliliği arttıran çeşitli mekanik aparatlarla beslemeye kuvvetli bir meyil vardır. Kadran beslemeli mekanizmalar sık kullanılır. Operatör, kadranın ön deliğine iş parçasını yerleştirir ve kadran, zımba ve kalıp arasına parçayı uygun bir pozisyona sürmek için zımbanın her bir stroku ile ayarlanır. Sürekli şerit malzeme kullanıldığı zaman presin kenarına yerleştirilmiş, pres tahrik merdaneleri ile pres içine otomatik olarak gönderilir. Hafif parçalar prese emme mekanizmalarıyla, titreşimli yatak besleyicileri ile veya benzer mekanizmalarla beslenir. Robotlar büyük parçaları prese koymak ve işlemden sonra çıkarmak için sayıları artarak kullanılmaktadır. Eğer seri imalata geçiş arzu edilirse çoğu durumlarda elle beslemenin yerini alacak teknoloji ve ekipman mevcuttur.
334
7-HADDELEME Haddeleme genellikle döküm malzemeyi yarı mamule dönüştürmede ilk adımdır. Çeşitli profiller gibi bir çok parça sıcak haddeleme ile tamamlanır. Fakat daha ziyade saclar, plakalar, çubuklar ve şeritler gibi sıcak haddelenmiş ürünler, soğuk şekillendirme veya talaşlı işleme gibi daha sonraki işlemler için giriş malzemesi olarak kullanılır. Esas olarak haddeleme, dönen bir çift merdanenin yardımıyla uyguladığı kuvvetler ile bir iş parçasının kalınlığını düşürme veya kesitini değiştirme prosesidir. Bu kategoride temel operasyon, düz plaka ve sacların haddelendiği basit haddelemedir. Köprüler, gemiler, kazanlar ve nükleer kaplar gibi yapısal uygulamalar için plakalar kullanılır. Sac metal uygulamaları için tipik örnekler, otomotiv ve diğer taşıma araçları, cihazlar, içecek kapları, kaplar, kaynaklı borular ve büro veya mutfak aletleridir. Diğer çeşitli operasyonlar için de haddeleme prosesleri geliştirilmiştir. Bunlar profil haddeleme (I Kirişler gibi konstrüktif şekiller), halka haddeleme (yatak zarfları, ham dişli jantı, halka şekilli yapısal elemanlar), diş haddeleme (vida ve civata gibi dişli bağlama elemanları) ve silindirik boru haddeleme (dikişsiz boru ) işlemleridir. Elde edilen mamüllerin çeşitliliği sebebiyle, özellikle düz plaka, saç ve folye yapımında, haddeleme önemli bir prosestir. Haddelenecek orjinal malzeme genellikle bir dökümhaneden gelen bir ingottur. Bu ingot ilk olarak sıcak haddelenir. Yapısı kaba taneli ve gevrektir. Döküm ingotun bu gözenekli yapısı ince taneli hale getirilir. İlk haddeleme operasyonu, mamülü bir bloom (genellikle kenarı en az 150 mm kare kesite sahip) veya bir slab (dikdörtgen kesitli) haline getirmektir. Bloomlar, profil haddeleriyle işlenerek konstrüktif şekle getirilirler. Slablar, plaka veya saç şeklinde haddelenir. Billetler genellikle bloomlardan daha küçük kare kesitli yarı mamullerdir. Bunlar daha sonra çeşitli kesitlerde yuvarlak çubuk ve mil şekline haddelenirler. Tonaj açısından sıcak haddeleme, bütün imalat proseslerinin temelini oluşturur. Pratikte yeterli şekilde gelişmiş ve standartlaşmış üniform ve kaliteli ürünler modern sıcak haddeleme ile düşük maliyetle üretilebilir. Ekipman çok ağır ve pahalı olduğundan, normal olarak yeterli talep mevcut ise, ekonomik üretimi sağlamak için sıcak haddelenmiş mamuller standart boyutta ve şekilde üretilebilir. Temel olarak haddeleme, ısıtılmış metalin ters yönde dönen iki merdane arasından geçirmekten ibarettir. Merdaneler arasındaki boşluk Şekil 59’da gösterildiği gibi giren metal kalınlığından daha az olur. Merdaneler metalin hızından daha fazla bir hızla döndüklerinden temas yüzeyindeki sürtünme, metali ileri doğru itecek şekilde rol oynar. Metal, kesitindeki azalma ile incelir ve uzar. Belli bir merdane çifti arasın da bir geçişte meydana getirilebilen deformasyon miktarı, ara yüzey boyunca oluşan sürtünme şartlarına bağlıdır. Eğer çok fazla kesit daralması istenirse merdaneler metal üzerinde patinaj yapacaktır. Diğer taraftan her geçişte çok az deformasyon ise pahalıya mal olur.
335
Şekil 59- Sıcak haddeleme prosesinin şematiği
7.1-Soğuk Haddeleme Soğuk şekillendirmede en büyük tonajlar soğuk haddeleme ile işlenir. Saclar, şeritler, çubuklar ve yuvarlak çubuklar, düzgün yüzey ve boyutsal tamlık elde etmek için soğuk haddelenir. Çoğu soğuk haddeleme, dörtlü küme ve planet hadde tesisatlarında yapılır. Soğuk haddelenmiş saclar ve şeritler dört durumda elde edilebilir. Haddelenmiş cidar, çeyrek, yarı ve tam sert şeklinde olabilir. Düzgün bir yüzey ile üniform bir kalınlık elde etmek ve akma noktasını arttırmak için metali sadece % 0.5- 1 kalınlık azalması ile haddelemek yeterlidir. İyi süneklilik gösteren metaller daha ileri soğuk şekillendirme operasyonları için uygundur. Çeyrek, yarı ve tam sert saclar ve şeritler % 50’ye kadar şekil değiştirme derecesine sahiptir. Neticede, bunların akma noktası yükselir, belli yönlenmiş özelliğe sahip olurlar ve süneklikleri azalır. Çeyrek sert çelikler taneleri kırılmadan katlanabilir. Yarı sert ve tam sert olanlar yaklaşık metal kalınlığına eşit bir yarıçapla sırasıyla 90° ve 45° eğilebilir.
7.1.1. Yığma, Konikleştirme ve Fatura Yapma Konikleştirme, çekiçleme (dövme) ile yuvarlak çubuk ve boruların çaplarını düşürme işlemidir. Prosesin faydalı bir uygulama yeri iç boşlukların oluşturulmasıdır. Burada belli bir geometriye sahip mandrel bir boru içine yerleştirilir ve sonra bir konikleştirme takımıyla etrafına basılır. Soğuk olarak uç şekillendirme dönen bir takım vasıtası ile yapılır. Kafes içindeki milin dönüşü, lokma bloklarını hareket ettirmeye ve merdaneler arasından zorlayarak geçirmeye sebep olur. Sonra kalıp, iş parçasının etrafında değişik açılarda açılıp kapanır. Operatör, kalıplar arasına çubuk veya boruyu sokar ve arzu edilen boy şekilleninceye kadar yavaş yavaş içeri iter. Çap küçüldüğü için mamul uzar. Boru şeklindeki iş parçasının açık veya kapalı ucu belli şekildeki bir mandrel üzerine yerleştirilir ve dönen şekil verme kalıpları arasına sokulur. Şekillendirme kalıbı döndüğü için iş parçasının iç kısmının mandrelin şeklini alması için zorlar. Böylece şekil oluşur. Operasyon sadece birkaç saniye gerektirir ve hassasiyet ile yüzey kalitesi çok iyidir. Uzun boylu mamuller istendiğinde, kısa ve nispeten pahalı olmayan sabit bir mandrel üzerine de şekillendirilir. Proses özellikle iç, dış, yarık ve soket yapmaya çok uygundur.
336
7.2-Düz Haddeleme Düz haddeleme prosesi şematik olarak Şekil 60’da gösterilmiştir. ho kalınlığındaki bir şerit merdane boşluğuna girer ve dönen merdaneler vasıtasıyla kalınlık hf ’ye düşürülür.
Merdanenin yüzey hızı Vr dir. Metal akışının hacim oranını sabit tutmak için şeridin hızı merdane aralığı boyunca artmalıdır. Bu olay bir kanalda sıvı akışına benzer. Merdane çıkışında şeridin hızı Vf dir. (Şekil 61). Vr merdane aralığında sabit olduğundan, merdane ve şerit arasında kayma vardır. Temas hattı boyunca iki hızında aynı olduğu bir nokta vardır. Bu nokta “nötr nokta “ veya “kaymayan nokta” olarak bilinir. Bu noktanın solunda merdane iş parçasından daha hızlı hareket ederken, sağında iş parçası merdaneden hızlı hareket eder. Ara yüzeydeki sürtünme sebebiyle karşı sürtünme kuvvetleri şerit yüzeyinde Şekil 61’de gösterildiği gibi davranır. Şekil 61 ve 8.(b) arasında benzerlik vardır. Sürtünme kuvvetleri nötr noktada birbirine zıttır. Şişirmede bu kuvvetler, operasyon simetrisi nedeniyle birbirine eşittir. Haddelemede nötr noktanın solundaki sürtünme kuvvetleri sağ taraftakinden büyük olmalıdır. Bu şekilde sağa sürükleyerek şeridi hadde aralığına çeker. Haddelemeyi mümkün kılan net bir sürtünme kuvveti vardır. Net sürtünme kuvveti ve merdanenin yüzey hızı iş parçasını ilerletmek için aynı yönde olmalıdır. Bu durum nötr noktanın çıkışa doğru olması gerektiğini belirler. Haddelemede ileri kayma, şeridin Vf çıkış hızı terimiyle belirlenir ve merdanenin yüzey hızı Vr mevcut bağıl hızların bir ölçüsüdür.
Kayma İlerlemesi = (V f –V r) / Vr
( 21 )
337
7.3-Kuvvetler ve Gerilmeler Hadde aralığında deformasyon bölgesi yığmadakine benzer gerilme ifadesine tabi olmasına rağmen, düz haddelemede kuvvetlerin hesaplanması ve gerilme dağılımı eğri temas yüzeyi sebebiyle daha kapsamlıdır. Ayrıca çıkıştaki malzeme fazla pekleşir ve böylece çıkıştaki akma gerilmesi giriştekinden daha yüksek hale gelir. Giriş ve çıkıştaki bir eleman üzerindeki gerilmeler sırasıyla Şekil 62’de gösterilmiştir. Dikkat edilirse, bu iki eleman arasındaki fark sürtünme kuvveti yönündedir. Temas yayı boyunca normal gerilme (basınç) dağılımı slab (plaka) analiz metodu kullanılarak aşağıdaki gibi ifade edilir:
Şekil 62 - Düz haddelemede bir eleman üzerindeki gerilmeler. a) Giriş bölgesi b) Çıkış bölgesi
Giriş Bölgesinde
P = Y ' ( h / ho )e µ ( Ho− H )
( 22 )
Çıkış Bölgesinde P = Y ' ( h / h f )e µH
( 23 )
burada H uygunluk parametresidir ve şu şekilde ifade edilir
H =2
R R .tan −1 ( Ø hf hf
Burada H0 , Ø = 0 daki H değeridir.
( 24 )
338 Bu ifadelere dikkat edilirse P basıncı, h’ın ve temas yayı boyunca açısal pozisyonunun fonksiyonudur. Girişte, Ø = α ve çıkışta Ø = 0’ dır. Pekleşen malzemeler için, bu ifadelerdeki akma gerilmesi, hadde aralığındaki malzemenin kısmi bölgede maruz kaldığı şekil değiştirmeye karşılık gelir. Bu ifadeler aynı zamanda malzeme mukavemetinin ve sürtünme katsayısının artışı yanında R / h f oranının artmasıyla basıncın da arttığına işaret eder. Dikkat edilirse haddelemede R / h f oranı yığmadaki a / h oranına eşittir. Pekleşmeyen bir malzeme için hadde boşluğunda teorik basınç dağılımı Şekil 63’de gösterilmiştir.
Dikkat edilirse bu eğri Şekil 10’dakine benzer. Ayrıca sürtünme azaldığı için nötr nokta çıkışa doğru kayar. Bu bilinen bir haldir. Çünkü sürtünme sıfıra yaklaştığı zaman haddeler şeridi çekme yerine üzerinde kaymaya başlar. Bunun anlamı, nötr noktanın çıkışa yaklaşmak zorunda olduğudur. Şerit kalınlığındaki azalmanın basınç dağılımına etkisi Şekil 64’de gösterilmiştir. Azalma arttığı için hadde aralığında temas boyuda artar. Bu ise pik basıncını arttırır. Şekilde gösterilen eğriler teoriktir. Deneysel olarak belirlenen basınç dağılımı, tepe noktaları kavisli pike sahip daha düz eğrilerdir. Bu basınç-temas boyu eğrileri altındaki alan, şeridin birim genişliğine isabet eden hadde kuvvetidir. Bu alan grafik olarak, noktalarla işaretlenerek hesaplanabilir.
339 Bu kuvvet ayrıca şu ifadeden de hesaplanabilir. Özel hadde kuvveti :
φ
α n F = ∫ p .R.dφ + ∫ p . R .dφ 0 φ n
( 25 )
Hadde kuvvetini hesaplamanın basit bir metodu, ortalama temas basıncı ile temas alanını çarpmaktır.
F=L w Po
( 26 )
Buradaki L temas yayı ve w şeridin genişliğidir. L boyutu kesit alanı olarak yaklaştırılabilir ve aşağıdaki ifadeyle verilebilir.
L= ( R ∆h )1/2
( 27 )
Buradaki R , hadde yarıçapı ve ∆h, şeridin orijinal ve son kalınlıkları arasındaki farktır.
Po değerinin hesaplanması h / l oranına bağlıdır. Burada h, hadde aralığındaki şeridin ortalama kalınlığıdır. Büyük h / l oranları için (küçük azalmalar veya küçük merdane çapları) haddeler bir sertlik testindeki bilyeler gibi davranır. Sürtünme önemli değildir ve Küçük h / l oranları (büyük azalma veya büyük merdane çapları ) Şekil 12’deki gibi yüksek a/ h oranına eşittir. Böylece, sürtünme hakim olur. Pekleşen malzemeler için uygun akma gerilmesi hesaplanmalıdır. Düşük sürtünme şartları için kaba bir yaklaşım olarak (26) eşitliği basitleştirilebilir.
F=L w Y
( 28 )
Burada Y, merdane aralığındaki malzemenin ortalama akma gerilmesidir.
7.4-Moment ve Güç İhtiyacı Her bir hadde için haddeleme momenti aşağıdaki ifadeden analitik olarak hesaplanabilir. φn
α
T = ∫ µ. p .R .dφ + ∫ µ. p.R 2 .dφ 2
φn
( 29 )
0
Dikkat edilirse negatif işaretler nötr durumda sürtünme kuvvetinin yönündeki değişimi belirler. Böylece eğer sürtünme kuvvetleri birbirine eşitse moment sıfırdır. Haddelemede moment, merdane ayrılma kuvveti F’ in, temas yayının ortasında olduğu kabul edilerek hesaplanabilir.
340 Yani moment kolu, 0.5L ve F şeridinin kesitine diktir. Halbuki 0.5L sıcak haddeleme için iyi bir tahmindir. 0.4L’ lik bir değer soğuk haddeleme için daha iyi bir yaklaşım aralığı verir. Her bir hadde momenti T, aşağıdaki gibi verilir:
T=FL / 2
( 30 )
Her bir merdane için gerekli güç;
Güç=T.w
( 31 )
Burada; ve N merdanenin dakikadaki devridir. Böylece bir takım merdane için;
hp= 2 π F L N / 43640
( 32 )
Burada F , libre ve L, feet dir. Ayrıca;
kW=2 π F L N / 60 000
( 33 )
Burada F, newton ve L, metredir.
Açıklamalı Problem: 230 mm genişliğinde 6061-0 alüminyum bir şerit 25 mm’den 20 mm kalınlığa haddeleniyor. Eğer merdane yarıçapı 305 mm ve dakikadaki devri 100 ise bu operasyon için gerekli beygir gücünü hesaplayınız.
Çözüm: Merdane çifti için gerekli güç (32) eşitliği ile, L , (27) ve F, (28) eşitlikleri ile verilmiştir.
F = LwY
L = R∆h , Buradan,
L = 305(25 − 20 ) = 39.05 mm ; w = 230 mm
AA 6061- 0 alüminyum için K = 205 MPa ve n=0.2 olarak verilmiştir. Bu operasyon için şekil değiştirme miktarı;
ε1 = ln (25/ 20) = 0.223
Böylece (11) eşitliğinden,
341
Y = 205x(0.223)0.2 /1.2 = 126.54 MPa ve F = 39.05x230x126.54= 1136.56 MPa Böylece, hp=2 π x1136.56x39.05x 100/60000 = 464.8kW=639HP 7.5-Sıcak Haddeleme Bütün sıcak şekillendirmede olduğu gibi, sıcak haddelemede işlemden önce metalin uygun sıcaklığa üniform olarak ısıtılması çok önemlidir. Bu, genellikle arzu edilen sıcaklıkta uzun süre ısıtma gerektirir ve proses “soaking” uzunca bekletme olarak bilinir. Eğer sıcaklık üniform değil ise, müteakip deformasyon da üniform olmayacaktır. Yetersiz bekletme yapılırsa henüz sıcak olan dış kısım soğuk kısma doğru akar ve bu yüzden iç kısım az şekil değiştirir. Eğer soğuma bekletmeden dolayı veya önceki haddelemeden sonra meydana geldiyse, soğuk yüzey, deformasyona direnç gösterecektir. Metalde yırtılma veya çatlamalar meydana gelebilir. Bugün çoğu haddeleme işlemleri döküm ingotlar veya sürekli döküm malzemelerin aktığı yerlerde integrasyon ile yapılır ve malzeme müteakiben haddeden geçirilerek belli mamüller üretilir. Döküm ingotlar gaz veya sıvı yakıtla ısıtılan bekletme fırınlarına yerleştirilerek ısı muhafaza edilir. Böylece karbonlu çelik malzemelerin sıcak haddelenmesi için gerekli 1200°C’lik üniform bir sıcaklığa ısıtmada daha az enerji harcanır. Sürekli döküm malzemeler ilave bir ısıya gerek duyulmaksızın direk haddeleme standına gider. Sıcak haddeleme, genellikle rekristalizasyon sıcaklığının 50-100oC üzerinde tamamlanır. Böyle bir bitirme sıcaklığının devamı üniform bir tane boyutu sağlar ve istenmeyen bölgesel sertleşmeleri önler.
7.5.1-Haddeleme Tesisatları Sıcak haddeleme genellikle bir seri haddeleme tesisatıyla kademeli olarak yapılır. Döküm külçe, genellikle 150 mm’den daha büyük kalınlıklı, kare kesite sahip “bloom” olarak isimlendirilen büyük kütük şekline veya dikdörtgen kesitli “slab” denilen plaka olarak haddelenir. Demir kütükler boyutları küçültülerek billet şekline (daha ince ve uzun demir çubuk) dönüştürülür. Plakalar haddelenerek bir sonraki kademelerde ince plaka veya şerit (lama) şekline getirilir. Bu mamüller ileriki sıcak şekillendirme veya diğer şekillendirme prosesleri için ham malzeme olurlar. Haddeleme tesisatları Şekil 65’te gösterildiği gibi çeşitli merdane konfigürasyonları şeklinde mevcuttur. Başlangıçtaki azalmalar (kaba haddeleme veya ezme) genellikle 600-1400 mm çaplı merdaneler ile ikili veya üçlü konfigürasyon uygulanarak gerçekleştirilir. Daha küçük çaplı merdaneler verilen bir ezme için daha az temas boyu verirler ve bu yüzden şekildeki belli bir değişiklik için daha az kuvvet ve düşük enerji gerekir. Fakat daha küçük kesitler, daha az destek gerektirir ve merdaneler yük altında elastik olarak eğilmeye çalışır. Dörtlü kompleks (6 merdaneli) hadde düzenlemelerinde iş merdanesine gerekli desteği sağlamak için destek
342 haddeleri kullanılır. Bu konfigürasyonlar geniş plaka ve sacların sıcak haddelenmesinde ve soğuk haddelemede kullanılır. Burada merdane merkezindeki yön değişimi kalınlıkta bir değişime sebep olacaktır. Sürekli sıcak şerit merdaneleri daha ziyade dörtlü hadde dizisini ve altı veya yedi bitirme hadde dizisini ihtiva eder. Uydulu (planet) hadde konfigürasyonu tek bir pasoda çok büyük inceltmeyi gerçekleştirebilir. Planet merdanelerle, 5000 mm genişliğe ve 0.0025 mm kalınlığa kadar haddelenmiş mamüller elde edilebilir. Yüksek mukavemetli metallerin ince şeritler halinde soğuk haddelenmesi için planet hadde özellikle uygundur. Her bir merdane rulmanlı yatağa benzer şekilde geri veya destek haddesinin taşıdığı bir takım planet haddelerden ibarettir.
3 safhalı tandem
Şekil 65 - Haddeleme standında kullanılan konfigürasyonlar
Malzemeyi merdaneler arasına itmek için itici merdaneler gereklidir ve hızları oldukça düşüktür. Tipik bir durumda 57 mm’lik dikdörtgen kesitli kütükler tek bir operasyonda 2.5 mm’lik bir sac şekline haddelenir. Giriş hızı sadece 1.8 m / dakikadır. Üretim, gerekli yatırım, yer ve çalışan personelde tasarruf sağlar. Hız ve verimlilik sağlanır ve planet hadde tarafından meydana getirilen hafif dalgalılık etkisini gidermek için genellikle küçük bir yüzey gereklidir. Düz olmayan veya şekilli ürünlerin haddelenmesinde istenen kesitte profil üretmek için açık dizayn edilmiş merdane takımı kalibrelenir ve metal kesiti kontrol edilir. Bazı durumlarda geçişler arasındaki merdane boşluğunu operatör ayarlar. Halbuki diğerlerinde merdanelerin ayarlanması olmaksızın ard arda gelen geçişlerde aralığı azaltmak için merdaneler kanallı dizayn edilir. Ürün miktarı yatırım için uygun olduğu zaman saclar, çubuklar, plakalar ve bazı yapısal parçalar gibi
343 şekiller, haddeleme tesisatlarında sürekli bir operasyonla, kütük, kalın plaka veya ince çubuktan haddelenirler. Bu tesisatlar metalin sürekli olarak içinden geçtiği, tersinir olmayan bir seri standdan ibarettir. Ard arda gelen her bir tesisatın merdaneleri, kalınlıktaki azalma ile boy uzamasına müsaade etmek için önündekinden belli bir miktar daha hızlı döner. Metal, son standı 110 km / h lik bir hızda terk eder. Bazı modern standlarda sürekli haddeleme tesisatları, metal son şekline haddeleninceye kadar katılaşmadan hemen sonra, sürekli döküm ünitelerinin ardına tesis edilir. Bir küme merdane düzenlemesinde iş haddeleri (küçük merdaneler) 6 mm çapına kadar küçük olabilir. Rijitlik, mukavemet ve aşınma direnci açısından genellikle tungsten karbürden yapılır. Haddelemede rijitlik boyut kontrolü için önemlidir. Haddeler otomatik olarak 25 m / s gibi yüksek haddeleme hızlarıyla çalışabilirler. Avara merdaneler kullanılarak düz haddeleme ön gerilmeli de yapılabilir. Bu durumda merdaneler üzerindeki T momenti, sürtünmesiz yatak kabulüyle sıfırlanır. Merdane malzemelerinin esas olarak mukavemetli ve aşınmaya dirençli olması gerekir. Üç yaygın merdane malzemesi, dökme demir, dökme çelik ve dövme çeliktir (Tablo 8). Sıcak haddeleme için merdane yüzeyleri genellikle kaba ve hatta fazla inceltme amacıyla ve malzemeyi hadde aralığına çekmek için çentikli veya kanallı olabilir. Soğuk haddelemede merdaneler çok ince taşlanır ve özel uygulamalar için parlatılır. Demir alaşımlarının sıcak haddelenmesinde grafit kullanabilmesine rağmen genellikle yağlamasız sürdürülür. Merdaneleri soğutmak ve iş parçası üzerindeki oksit tabakalarını kırmak için sulu çözeltiler kullanılır. Demir dışı alaşımlar, yağ bileşikleri, çözeltiler ve yağlı asitler yardımıyla sıcak haddelenir. Soğuk haddelemede ise mineral yağlar, emülsiyonlar ve parafini kapsayan düşük viskoziteli yağlayıcılar kullanılır(Tablo 10).
7.5.1.1-Sıcak Haddeleme Kuvvetleri: İngotlar ve slablar genellikle sıcak haddelendiklerinden, sıcak haddelemede kuvvet ve momentin hesaplanması önemlidir. Fakat iki büyük zorluk vardır. Bunlardan biri yüksek sıcaklıklarda sürtünme katsayısı µ’nün doğru tahmin edilebilmesidir. Diğeri ise yüksek sıcaklıklarda metallerin şekil değiştirme derecesi hassaslığıdır. Düz haddelemede ortalama şekil değiştirme oranı, merdane aralığında, bu şekil değiştirmeyi devam ettirmek için gereken zamanın dikkate alınmasıyla bulunur. Zamana, L / Vr olarak yaklaşılabilir. Böylece;
ε = Vr / L ln( ho / h f )
( 34 )
344 İlk olarak, bu şekil değiştirme oranına karşılık gelen malzemenin akma gerilmesi ( Y f ) elde edilmeli ve sonra uygun eşitliklere yerleştirilmelidir. Bu hesaplamalar yaklaşıktır. µ’ deki değişim ve şerit sıcaklığı; kuvvetlerin sıhhatli hesaplanmasındaki zorluklara ilave zorluklar çıkarır.
7.6- Sürtünme Sürtünme olmaksızın merdaneler; şeridi merdane boşluğuna çekemeyeceğinden haddelemede biraz sürtünmenin olması gereklidir. Diğer taraftan, bildiğimiz gibi, gerekli kuvvet ve güç ortam sürtünmesi ile artar. Soğuk haddelemede sürtünme katsayısı µ, malzeme ve kullanılan yağlayıcılara bağlı olarak genellikle 0.2 - 0.3 arasındadır. Düşük sürtünme katsayıları, etkili yağlayıcılar ile hidrodinamik yağlama rejimlerine yaklaşıldığı oranda elde edilir (alüminyum yüksek hızlarda soğuk haddelenmesindeki gibi). Sıcak haddelemede sürtünme katsayısı 0.2’den 0.7’ye kadar değişir. Etkili yağlama ile en düşük ve fakat genellikle çelikler, paslanmaz çelikler ve yüksek sıcaklıktaki alaşımlarda meydana gelen yapışma nedeniyle en yüksek sınıra ulaşılır. Düz haddelemede mümkün olan maksimum incelme (ho-hf) aşağıdaki gibi sürtünme ve merdane yarıçapının bir fonksiyonu olarak gösterilebilir.
∆h max =µ2R
( 35 )
Burada sürtünme yükseldikçe ve merdane yarıçapı arttıkça maksimum incelme de artar. Beklendiği gibi sürtünme olmadığı zaman incelme sıfır olur. a açısının maksimum değeri (kapma açısı) (Şekil 61) geometrik olarak (35) eşitliği ile ilgilidir. Bir eğik düzlem ve kayan bir bloğun basit modelinden görülebilir ki;
α max = tg −1 µ
( 36 )
Eğer α max bu değerden büyük olursa; sürtünme, malzemeyi hadde aralığına çekmek için yeterli yükseklikte olmayacağından merdaneler kaymaya başlarlar.
7. 7-Ön ve Arka Germe Hadde kuvveti F; düşük sürtünme, küçük merdane çapı, küçük kesit daralması ve yüksek iş parçası sıcaklığı gibi çeşitli yollarla azaltılabilmesine rağmen, etkili bir metot boyuna germe uygulanarak malzemenin basmadaki akma gerilmesini azaltmaktır. Akma kriterine göre, eğer bir şeride gerilme uygulanırsa (Şekil 66) şerit yüzeyinde normal akma gerilmesi azalacak ve böylece merdane basıncı düşecektir. Haddelemede germe ya şeridin girişine (arka germe) veya çıkışına
345 (ön germe) yada her iki tarafa birden uygulanabilir. (22) ve (23) eşitlikleri germenin etkisini kapsayacak şekilde aşağıdaki gibi düzenlenebilir. Giriş bölgesi için;
P = ( Y ' −σ b )h / ho e µ ( H o − H )
( 37 )
Çıkış bölgesi için; P = ( Y ' −σ f )h / h f e µH
( 38 )
Uygulanan germenin bağlı büyüklüğüne göre Şekil 66’da gösterildiği gibi nötr nokta değişebilir. Bu değişme, basınç dağılımı, moment ve haddelemedeki güç ihtiyacını etkileyecektir. Ön germe, haddelenmiş şeridin sarıldığı sarma tamburu çevresindeki momentle kontrol edilir. Arka germe, boşaltma tamburuna uygulanacak bir frenleme ile kontrol edilir. Bu kontroller için özel ekipmanlar mevcuttur. Germeler özellikle yüksek haddeleme kuvvetleri gerektiren ince ve yüksek mukavemetli malzemelerin haddelenmesinde önemlidir.
Şekil 66- İleri ve geri germenin fonksiyonu olarak basınç dağılımı. Dikkat edilirse nötr nokta kayar ve artan gerilme ile eğriler altındaki alan azalır.
7.8-Merdane Eğilmesi Şekil 67 (a)’da gösterildiği gibi hadde kuvvetleri haddeleri eğilmeye zorlar. Neticede şerit kenarlara göre merkezde daha kalındır. Bu problemden kaçınmanın genel bir metodu, merdanenin merkezdeki çapının kenarlarından çok az büyük olacak şekilde taşlanmasıdır. Bu işlem kavisleme olarak bilinir. Düz sac haddelenmesinde eğilme, genellikle yarıçapta 0.25 mm’den azdır. Uygun dizayn yapıldığında Şekil 67 (b)’de gösterildiği gibi düz şeritler üretilir. Sıcak haddelemede. haddedeki düzgün olmayan sıcaklık dağılımı; merdane boyunca çapta değişime sebep olabilir. Sıcak haddelemede bombe, merdaneler üzerindeki soğutucunun
346 (yağlayıcı) yerini değiştirerek kontrol edilebilir. Otomobillerdeki lastiklerin düzleşmesine çok benzer şekilde, kuvvetler de merdanelerin elastik olarak düzgünleşmesine sebep olur. Haddelemede merdanelerin düzleşmesi, büyük merdane çaplarında kalınlığın aynı derecede azalması için daha büyük bir temas alanı doğurur. Böylece hadde kuvveti F artar. Çarpılmış yeni merdane yarıçapı R’ şöyle verilebilir ;
Şekil 67- (a) Merdane ayırma kuvvetinden dolayı düzgün silindirik merdanelerin eğilmesi (b) Bombeli taşlanmış merdanelerin eğilmesi, böylece haddeleme sırasında üniform kalınlıklı sac imal edilebilir.
R' = R( 1 + CF /( ho − h f ))
( 39 )
Bu formülde C katsayısı, çelik merdaneler için 2.3 x 10-2 mm2 / kN ve dökme demir merdaneler için 4.57x10 mm2/kN dır. F birim şerit genişliği başına hadde kuvveti (kN/mm)’dir. Merdane malzemesinin elastiklik modülü yüksek oldukça merdane çarpılacaktır. (39) eşitliğinde görülür ki, azalan hadde kuvveti (etkili bir yağlayıcı kullanarak veya küçük kesit daralması ile) hadde düzleşmesini de azaltır. R’, merdane yarıçapının bir fonksiyonu olan merdane kuvveti F’in fonksiyonu olduğundan direkt olarak belirlenemez. Çözüm tecrübe ile elde edilir.
7.9. Düz Hadde Pratiği Bir ingotun başlangıçtaki kaba taneli, kırılgan ve gözenekli döküm yapısı sıcak haddeleme ile taneli daha sünek ve mukavim bir yapıya dönüştürülür. Pratikte her pasodaki incelme, iş parçası malzemesinin cinsine ve sünekliliğine bağlıdır. Yüksek mukavemetli alaşımlar için kalınlık azalmaları genellikle az, yumuşak ve demir dışı metaller için ise yüksektir. Sıcak haddelemedeki sıcaklıklar, sıcak dövmedekine benzer. Sıcak haddelemenin avantajları düşük kuvvet ihtiyacı ve metalin sünekliliğinin yükselmesidir. Diğer taraftan soğuk haddeleme yüksek kuvvetleri gerektirir fakat daha iyi bir yüzey kalitesi verir. Toleransların daha iyi kontrolüne müsaade eder ve yüksek mukavemetli plaka ve sacların üretimini sağlar. Soğuk haddeleme ile anizotropik saclar elde edilir. Yüksek genişlik/kabalık oranıyla haddelenen plaka ve saclarda haddeleme
347 sırasında genişlik önemli oranda artar. Genişlikteki bu artış “yayma” olarak bilinir. Yayma giriş malzemesinin, genişlik / kalınlık oranındaki artışı, sürtünmenin artışı ve hadde yarıçapı/kalınlık oranındaki artışla azalır. Sacın kalınlığı bir numara ile belirlenir. Numaranın küçülmesi sacın kalınlaştığını gösterir. Sac metale bağlı olarak farklı numaralama sistemleri vardır. Tablo 14’de gösterildiği gibi, bakır ve prinçten haddelenmiş saclar, haddeleme sonunda değişen kalınlık ile belirlenir. Ambalajlama ve sigara paketlerinde kullanılan alüminyum folyeler gibi demir olmayan metaller 0.02 mm’lik kalınlıklarda haddelenir. Tablo 14- Soğuk haddelenmiş Bakır ve Pirinç Saclar İçin Sertlik Terminolojisi
7.10-Haddelenmiş Mamüllerde Hatalar Başarılı bir haddeleme pratiği, malzeme özellikleri, proses değişkenleri ve yağlamayı içine alan birçok faktörün dengelenmesini gerektirir. Haddelenmiş plaka ve sacların yüzeylerinde veya malzeme içinde yapısal hatalar olabilir. Yüzey hataları malzemedeki inkilüzyon ve safsızlıklar, kav, pas, kir, merdane izleri, malzemenin ısıl işlemi ve işlenme öncesiyle ilgili diğer sebeplerden kaynaklanabilir. Sıcak haddelenmiş bloom, billet ve slablarda kav tabakasını kaldırmak için yüzey genellikle çeşitli vasıtalarla haddelemeden sonra soyulur. Yapısal hatalar haddelenmiş mamülün tamlığını etkiler. Bazı tipik hatalar Şekil 68’de gösterilmiştir. Dalgalı kenarlar merdanenin eğilmesi yüzünden oluşur. Şeridin kenarları merkezine göre daha incedir. Kenarlar merkezden daha fazla uzadığı ve serbestçe genleşemediği için buruşur. Şekil 68(b) ve (c)’de gösterilen çatlaklar düşük süneklilik ve şişme yüzündendir. Katlanma veya katmer, haddeleme
348 sırasında malzemenin homojen olmayan deformasyonu veya orjinal döküm ingotlardaki boşluklar yüzünden meydana gelen kompleks bir olaydır.
Şekil 68- Düz haddelemede tipik hataların şematik gösterilişi a ) Dalgalı kenarlar, b ) Levha merkezindeki çatlaklar, c) Kenar çatlakları, d) Yarılma.
7.11-Sıcak Haddelenmiş Mamüllerin Kalitesi ve Özellikleri Sıcak haddelenmiş ürünler rekristalizasyon sıcaklığı üzerinde haddelenip bitirildiğinden bu ürünler minimum yönlenme gösterirler ve iç gerilmeler nispeten daha azdır. Fakat özellikleri ürünün kalınlığına, bütün yönlerde üniform çalışmayı veya üniform soğumayı önleyen kompleks kesitlerin varlığına bağlıdır. İnce saclar belli yönlenmiş özellikler gösterirken, kalın plakalar genellikle çok az yönlenmiş özelliklere sahiptir. I veya H gibi kompleks bir şekil, flanşın bir kısmı kesilirse kenarlardaki iç gerilmeler sebebiyle büyük oranda çarpılacaktır. Sıcak plastik çalışmanın sonucu olarak iyi kontrol edilmiş sıcak haddelenmiş ürünler üniform olur ve buna bağlı olarak iyi bir kalite elde edilir. Güvenilir imalatçılar tarafından üretilmişler ise, bu ürünlerde herhangi bir ıskarta, ek yeri veya bir mahsur bulmak zordur. Şüphesiz sıcak haddelenmiş ürünlerin yüzeyleri kaba ve kav olarak bilinen bir yüksek sıcaklık oksidi ile kaplıdır. Fakat modern yollarla şaşırtıcı düzgünlükte yüzeyler elde edilebilir. Sıcak haddelenmiş mamüllerin boyutsal toleransları metalin cinsine ve mamülün büyüklüğüne göre değişir. Büyük tonajlarda üretilen çoğu ürünler için tolerans, boyutun (yükseklik veya genişlik) % 2-5 arasındadır. Sıcak haddelenmiş mamüllerin boyutsal değişimi, genellikle standart boyut ve şekiller olmasına rağmen, dikkatten uzak tutulmamalıdır. Özel ölçü ve şekiller elde edilebilir fakat talep miktarı fazla olmadıkça ekonomik olmaz.
7.12- İç Gerilmeler (Artık gerilmeler) Hadde aralığında homojen olmayan plastik deformasyon yüzünden haddelenmiş plaka ve saclarda iç gerilmeler meydana gelebilir (Şekil 69). Küçük çaplı merdaneler veya kalınlıktaki düşük azalma, yüzeylerde metalin plastik olarak sertleşmesine sebep olur (bilya fırlatmayla
349 soyma ve hadde ile fırçalamaya benzer). Yüzeyde, basma iç gerilmeleri ve gövdede çekme gerilmeleri oluşur (Şekil 70 (b)). Diğer taraftan büyük çaplı merdaneler ve kalınlıktaki fazla azalma, iç bölgenin yüzeyden daha fazla miktarda deforme olmasına sebep olur. Böylece temas boyunca yüzeydeki sürtünme pekleşmesine neden olunur. Bu durum Şekil 69’da gösterildiği gibi önceki duruma ters olan iç gerilmeleri üretir.
Şekil 69- Düz haddelemede oluşan iç gerilme tipine merdane yarıçapının etkisi. a) Büyük çaplı merdane veya kalınlıkta büyük azalma. b) Küçük çaplı merdane veya kalınlıkta küçük azalma.
Şekil 70 a) AISI 1045 Karbonlu çelikten yuvarlak çubuğu soğuk çekilmesinde iç gerilmeler. b) Çekme ile kesit inceltmenin fonksiyonu olarak yüzey iç gerilmesi. Dikkat edilirse çok hafif kesit daralması basma yüzey gerilmelerine sebep olur.
350
7.13-Merdaneyle Düzeltme Haddelenmiş bir sac müteakip kullanım veya işlem için yeterince düz olmayabilir. Düzlüğü sağlamak için sac zıt yönlerde eğilerek bir seri düzeltme merdaneleri arasından geçirilir. (Merdaneler genellikle ayrı ayrı tahrik edilir).
Şekil 71 . Merdane ile düzeltme metotlarının şematiği. Bu işlemler haddelenmiş sacları düzeltmek için kullanılır.
Şekil 71’de iki farklı merdane düzeni gösterilmiştir. Değişik hadde düzenleri de mevcuttur. Bu metotla düzeltilebilen minimum sac kalınlığı, yaklaşık 0.5 mm civarındadır. Düzeltme veya germe, eğmenin tersidir. Doğru ve düzgün malzeme temin etmek için soğuk şekillendirme operasyonlarından önce düzeltme yapılır. İki farklı teknik oldukça yaygındır. Merdaneyle doğrultma veya merdaneyle seviyelendirme bir seri çapraz eğmeyi kapsar.
Şekil 72. Bir takım doğrultma merdaneleri arasından geçirerek çubuk veya sac mukavemetlendirme metodu.
Yuvarlak çubuk veya tel düz bir hattan saptırılmış bir seri merdane içinden geçer. Gerilme elastik sınırının biraz üstünde olduğu için eğilmelerin hepsi düzelir. Saclar, germe olarak adlandırılan bir prosesle de düzeltilir. Saclar, her iki ucundan da kavranır ve gerilmeleri gidermek için elastik sınırın üstünde hafifçe gerilir. Böylece arzu edilen düzgünlük sağlanır(Şekil 72).
351
7.14-Çeşitli Haddeleme Prosesleri Bu bölümde düz olmayan haddeleme operasyonları açıklanacaktır.
7.14.1-Kontrollü Haddeleme Çoğu deformasyon proseslerinde olduğu gibi haddeleme genellikle bir malzemenin şekil değiştirme vasıtası olarak göz önüne alınır. Isı, gerekli kuvvetleri düşürmek ve plastikliği teşvik etmek için kullanılabilirken, mekanik özellikleri kontrol etmekte kullanılan termal prosesler (ısıl işlem) genellikle müteakip operasyonlarda uygulanır. Termo-mekanik işleme (kontrollü haddeleme) ürünlerde arzu edilen mukavemeti sağlamak için aynı anda uygulanan iki operasyondan ibarettir. Düzenli değişim için gerekli ısı, haddeleme ısısıyla karşılanır ve müteakiben ısıl işlem gerekmez. Bunu başarmak için haddelemeden önce malzeme bileşimi seçilmeli ve bir zaman-sıcaklıkdeformasyon çizelgesi geliştirilmelidir. Gaye, ince tane üretmek ve dönüşme yapılarının dağılımını kontrol etmektir. Çeliklerde ( perlit, bainit veya martenzit ) meydana gelen yapıyı, katı çözelti sertleşmesi veya çözülme sertleşmesini kontrol etmek ve arzu edilen mukavemet seviyesini sağlamayı kapsar. Başlangıç yapısı (yeniden ısıtma şartları ve kompozisyon tarafından belirlenir) deformasyon detayları, deformasyon sırasında sıcaklık kontrolü ve çalışma şartlarından itibaren soğuma kontrol edilmelidir. İyileştirilmiş mamül özellikleri ve önemli enerji tasarrufu açısından, kontrollü haddeleme gibi prosesler önümüzdeki yıllarda daha fazla öneme sahip olacaktır.
7.14.2-Profil Haddeleme Düzgün yapısal şekiller, I kirişleri ve demir yolu rayları, çeşitli kesitteki çubuklar, kanallı kesitler özel dizayn edilmiş çok sayıda merdane çifti arasından geçirerek haddelenir(Şekil 73). Bu prosesler ilk olarak 1700’lerin sonlarında geliştirilmiştir. Orijinal malzeme genellikle bir bloom’dur. Hataların bazıları haddelenen malzemeden kaynaklanmasına rağmen, bir hadde serisi dizayn etmek için hatalardan sakınmak ve toleransları sağlamak tecrübe gerektirir. Malzeme, kesiti azaltıldığı için uzar. Fakat kanallı bir şekil için azalma, kesit içinde farklı bölgelerde farklı olduğundan uzama üniform değildir. Buda mamülün çatlamasına veya çarpılmasına sebep olur. Uçak kanadı şekilleri de, şekilli haddeleme teknolojisiyle üretilebilir.
352
Şekil 73- Bir H kesitin haddelenmesindeki safhalar. I kirişleri gibi çeşitli büyük yapısal kesitler bu prosesle yapılır.
7.14.3-Halka Haddeleme Bu proseste küçük çaplı kalın bir halka, küçük kesitli büyük çaplı bir halkaya genişletilir. Biri tahrik edilen iki merdane arasına halka yerleştirilerek haddelenir(Şekil 74). Dönen merdaneler birbirine yaklaştırılarak kalınlık düşürülür. Kalınlıktaki azalma, halkanın çapındaki bir artış ile dengelenir. Dikişsiz bir halka üretme örneği, Şekil 75’de gösterilmiştir. Çeşitli kesitlerde, şekilli merdane ile halka şeklinde üretim yapılabilir. Bu proses mamülün mukavemet ve boyutuna bağlı olarak oda sıcaklığında veya yüksek sıcaklıklarda gerçekleştirilebilir.
Şekil 74- Yatay bir halka haddeleme operasyonu. Halkanın kalınlığındaki azalma halka çapındaki artma ile karşılanır. Büyük yatak zarfları ve türbin parçaları bu prosesle yapılır.
353 Parça yapmada kullanılan diğer proseslerle karşılaştırıldığında halka haddelemenin avantajları, kısa üretim zamanı, malzeme tasarrufu, dar toleranslar, önemli ölçüde tane akış yönlenmesi olarak sayılabilir. Halka haddelemenin tipik uygulamaları, roket ve türbinler için büyük halkalar, dişli taslakları, bilyeli ve rulmanlı yatak bilezikleri, borular için flanş ve takviye halkaları, basınçlı kaplar olarak sayılabilir.
Şekil 75- Çeşitli proseslerin kombinasyonları ile değişik cidar kalınlıklarında bir halkanın imalatındaki safhalar. Büyük bir konik yatak zarfı bu metotlarla yapılabilir.
7.14.4-Vida ve Dişli Haddeleme Birbirine karşı hareket eden veya dönen kalıplar arasından yuvarlak çubuk veya iş parçasını geçirerek üzerlerinde vida dişlerinin işlendiği bir soğuk şekillendirme prosesidir (Şekil 76). Tipik mamüller; vidalar, civatalar ve benzeri dişli parçalardır. Düz kalıplar kullanarak karşılıklı her bir strok ile çubuk veya tel üzerine dişler haddelenir. Üretim hızları mamülün çapına bağlı olarak oldukça yüksektir. Küçük çaplarda hız saniyede 8 parça olabilir ve 25 mm gibi büyük çaplarda saniyede yaklaşık 1 parçadır. İki veya üç merdaneli haddeleme makinaları da mevcuttur. Diğer bir dizaynda (Şekil 76 (b)) dişler, saniyede 80 gibi yüksek üretim hızlarıyla çalışan kalıplar ile şekillendirilir. Diş haddeleme prosesi, herhangi bir malzeme kaybı olmadan ve soğuk işleme nedeniyle mukavemetli diş elde etme avantajlarına sahiptir. Yüzey çok düzgündür ve yüzeyde basma iç gerilmeleri oluşur. Böylece yorulma ömrü iyileşir. Mamül, işlenmiş olandan daha üstündür ve hemen hemen bütün dişli bağlama elemanları üretiminde kullanılır. Plastik deformasyonda hacim sabitliği sebebiyle, haddelenmiş bir diş, işlenmiş bir diş ile aynı dış çapı üretebilmek için daha küçük çaplı yuvarlak malzeme gerektirir(Şek. 77).
354
Şekil 76- Diş haddeleme prosesi a) Düz kalıpla b) İki merdane ile Bu proses daha çok yüksek üretim hızlarında bağlama elemanları yapımında kullanılır
Şekil 77- a) İşlenmiş ve oyalama ile açılmış dişlerin şematiği. Dikkat edilirse haddelenmiş dişler için ham malzeme çapı daha küçüktür. b) İşlenmiş ve haddelenmiş dişlerde tane akış hatları. Haddelenmiş dişlerde soğuk sertleşmeden dolayı diş mukavemeti daha iyidir. İşlenmiş dişlerde ise kesilmiş taneler söz konusudur
355 Ayrıca işleme ile malzemenin tane akış çizgileri boyunca malzeme kaldırırken, haddelenmiş dişler soğuk şekillendiği için dişlerin mukavemetini arttıran bir tane akış modeline sahiptir. Bütün diş haddeleme proseslerinde metalin yeterli sünekliliğe sahip ve tel veya çubuk şeklinde düzgün boyutta olması esastır. Yağlama iyi yüzey kalitesi ve minimum hata için önemlidir. Konik ve helisel dişlilerde diş haddelemeye benzer şekilde soğuk haddeleme prosesleri ile üretilebilirler. Proses, katı silindirik malzemeler veya ham dişlilerde gerçekleştirilebilir. Helisel dişliler özel şekilli kalıplar kullanılarak bir direk ekstrüzyon prosesi ile de yapılabilir. Otomatik transmisyon ve güç takımlarında soğuk haddelenmiş dişliler kullanılır.
7.14.5-Dönel Boru Delme Şekil 78’de gösterilen teknik, uzun, kalın cidarlı ve dikişsiz boru yapmak için uygulanan bir sıcak şekillendirme prosesidir. Yuvarlak bir çubuk Şekil 78(a)’da gösterilen şekilde radyal yönde basmaya maruz bırakıldığında çubuğun merkezinde çekme gerilmeleri oluşur. Prosesin prensibi bu olaya dayanır. Şekil 78(b)’deki gibi basma gerilmesine tabi tutulduğunda çubuğun merkezinde bir boşluk oluşmaya başlar. Dönel boru delmede işlem Şekil 78 (c)’de gösterildiği gibi bir dizi dönen merdanelerle gerçekleştirilir. Dönme hareketi ile merdaneler içine yuvarlak çubuğun çekilebilmesi için merdane eksenleri aykırıdır. Bir mandrel, deliği genişletip borunun iç çapını boyutlandırmak için prosese yardım eder. Bu proseste metalin aşırı deformasyonu sebebiyle hatasız yüksek kaliteli çubuklar kullanmak gereklidir.
Şekil 78- Bir katı yuvarlak çubukta ikincil çekme gerilmesiyle boşluk ve boru yarma prosesinde kullanımı. Bu sistem Mannesman dikişli boru haddelemenin prensibini oluşturur.
356 8- EKSTRÜZYON Ekstrüzyon işleminde metal, daha küçük kesitli bir mamül şekillendirmek için uygun şekilli bir kalıp içinden akmaya zorlanır. Ekstrüzyon, soğuk veya sıcak yapılabilmesine rağmen ekstrüzyon için gerekli kuvvetleri düşürmek, soğuk şekil vermenin kötü etkilerini azaltmak ve yönlenmiş özellikleri azaltmak için bir çok metale sıcak ekstrüzyon uygulanır. Temel olarak ekstrüzyon prosesi bir tüpten diş macununun fışkırması gibidir. Metal şekillendirme söz konusu olduğunda bu işlem, uygun bir hazne içine ısıtılmış bir metal kütle yerleştirilerek gerçekleştirilir. Haznede kütleyi sıkıştırmak için bir piston metali bir ucundan ilerletir. Piston ilerlemeye devam eder ve malzemeyi plastik olarak kalıptan çıkarıncaya kadar basınç uygulanır. Metal içinde oluşan gerilme üç boyutlu basmadır (Şekil 79).
Şekil 79- Ekipmanların temel parçalarını gösteren direk ekstrüzyon
Kurşun, bakır, alüminyum, mağnezyum ve bu metallerin alaşımları nispeten düşük akma mukavemeti ve ekstrüzyon sıcaklıklarına sahip olduklarından yaygın olarak ekstrüde edilirler. Çeliğin ekstrüzyonu daha zordur. Akma mukavemetleri yüksek metaller, yüksek sıcaklık ve basınç etkisi altında haznenin ve kalıbın cidarlarına kaynamaya eğilim gösterir. Fosfat esaslı ve ergimiş cam yağlayıcıların geliştirilmesi ve kullanılmasıyla birlikte önemli miktarda sıcak çelik ekstrüzyonu yapılmaktadır. Bu yağlayıcılar metal kütleye yapışır ve işlem boyunca metal-metal temasını önler. Demir olmayan metallerden hemen hemen bütün kesit şekilleri ekstrüde edilebilir. 750 mm’lik yuvarlak herhangi bir şekli ekstrüde edebilen presler mevcut olduğundan boyut sınırlaması çok azdır. Çelik ve yüksek mukavemetli metallerin ekstrüzyonunda şekil ve ölçü sınırlaması daha fazladır. Bir çok sebepten dolayı ekstrüzyon yaygın bir prosestir. Karmaşık veya içi boş, haddeleme ile üretilemeyen bir çok şekiller ekstrüzyon ile imal edilebilir. Koniklik gerektirmez ve böylece metal ve ağırlık tasarrufu sağlar. Sıkıştırma esasına dayandığı için kalınlıktaki azalma miktarı sadece ekipmanların kapasiteleri ile sınırlıdır.
357 Ayrıca ekstrüzyon kalıpları nispeten ucuz ve bir tip mamül için sadece bir kalıp gereklidir. Prosesin büyük avantajı ekstrüde edilen mamülün uzunluğu boyunca kesitinin aynı olmasıdır. Ekstrüzyonun boyutsal toleransları çok iyidir. Çoğu şekiller için ± 0.003 veya ± 0.07 mm bir tolerans kolaylıkla elde edilir. Tane yapısı diğer sıcak şekillendirilmiş metallerin tipindedir fakat genellikle ekstrüzyonda kuvvetli yönlenmiş özellikler mevcuttur. Standart mamül boyları yaklaşık 7-8 m’dir. Fakat 13 m’yi geçen uzunluklarda üretilebilir. Kısaca ekstrüzyon işleminde bir yuvarlak malzeme bir hazneye yerleştirilir ve bir piston ile kalıbın açık kısmı içinden zorlanır. Kalıp yuvarlak veya diğer değişik şekilde olabilir. Ekstrüzyonun dört temel tipi vardır. Bunlar; direk, indirek, hidrostatik ve çarpma ekstrüzyondur (Şekil 80). Direk (ileri) ekstrüzyon, bir diş macunu tüpünün ucundan macunun çıkmasına benzer. Malzeme hazne cidarına göre izafi olarak kayar. Cidar sürtünmesi zımba kuvvetini önemli oranda arttırır. İndirek (ters veya geri) ekstrüzyonda kalıp malzemeye doğru hareket eder ve böylece kalıp hariç, malzeme ile hazne arayüzeyinde izafi hareket yoktur. Hidrostatik ekstrüzyonda hazne; basıncı malzemeye ileten bir akışkan ile doludur ve sonra kalıp boşluğundan çıkarılır. Akış boyunca sürtünme yoktur. Çarpma (fışkırtma) ekstrüzyon; indirek ekstrüzyonun bir şeklidir ve özellikle delik parçalar için uygundur. Ekstrüzyonda hazne doldurulduğundan her bir malzeme kütlesi tek başına ekstrüde edilir.
a)
c) Zımba Zımba
Takoz
b)
Kalıp
Ürün
Ürün
Kalıp
d)
Kalıp Şekil 80 - Ekstrüzyon çeşitleri a) Direk b) İndirek c) Hidrostatik d) Çarpma ekstrüzyonu
Takoz
Akışkan
358
8.1-Ekstrüzyonda Metal Akışı Ekstrüzyonda akış modeli önemli bir faktördür. Yaygın bir akış modeli araştırma tekniği, yuvarlak malzemeyi uzunluğuna ikiye bölmek ve bir yüzünü bir çizecek ile işaretlemektir (Şekil 81). Bu iki yarı, hazne içine birlikte yerleştirilir ve ekstrüde edilir. Sonra bunlar alınır ve kontrol edilir. Şekil 82, kare kalıplar ile yapılmış direk ekstrüzyonun tipik bazı sonuçlarını göstermektedir. Farklı akış modellerinin elde edilmesini sağlayan şartlar aşağıda belirtilmiştir. 1-Malzeme, alıcı ve kalıp arayüzeyinde hiç sürtünme olmadığı zaman en homojen akış modeli elde edilir (Şekil 82 (a)). Bu tip akış yağlayıcının çok etkili olduğu veya indirek ekstrüzyon durumunda meydana gelir. 2-İkinci model, alıcı cidarlarında çok az sürtünme olduğu veya olmadığı, fakat kalıp yüzeyinde biraz olduğu zaman elde edilir. Ekstrüzyon sırasında bir miktar metal alıcının köşelerinde sabit olarak kalır. Buraya ölü metal bölgesi denir (Şekil 82 (b)). 3-Sürtünme bütün arayüzeyler boyunca yüksek olduğu zaman ölü metal bölgesini yırtar ve üçüncü tip akış modeli elde edilir. Dikkat edilirse malzeme kalıp çıkışına aktığı için bazen bir vapur bacasına benzer yüksük şeklinde kayma alanları vardır. Bunların, akış bölgesine girerek ekstrüde olabileceğini (oksit tabakaları ve yağlayıcı ile birlikte) ve neticede ekstrüde olmuş parçada hatalara sebep olabileceği unutulmamalıdır (Şekil 82(c)). 4-Bu tipte yüksek kayma bölgeleri daha gerilere yayılır. Malzemenin akışını geciktiren yüksek hazne cidar sürtünmesi ve artan sıcaklıkla hızlıca düşen malzeme akma gerilmesi bu olayı doğuran iki faktördür.
Şekil 81- Ekstrüzyonda, metal akış modellerini gözlemek için yuvarlak bir çubuğun orta kesitinde markalanmış çizgilerin şematik görünümü. Markalamadan sonra parçanın iki yarısı birleştirilerek ekstrüzyon alıcısına yerleştirilir ve ekstrüze edilir.
359 (a)
(b)
(c)
(d)
Şekil 82. Direk ekstrüzyonda dört değişik metal akış tipinin şematiği
Sıcak çalışmada, hazne cidarına yakın olan malzeme hızlı olarak soğur ve mukavemeti artar. Böylece orta bölgedeki malzeme dış bölgelere göre kalıba doğru daha kolay akar. Neticede geniş ölü metal bölgesi oluşur ve akış homojen olmaz. Bu akış modeli hataya sebep olabilir. Ekstrüzyon sırasında metal akışı oldukça karışık olduğundan şekillendirme sonucu oluşacak çatlak ve hataları önlemek için dikkat sarfetmeyi gerektirir. Direk ekstrüzyonda sürtünme, metal kütlenin, hazne ve şekillendirme kalıbı arasındaki hareketini sınırlar. Merkezdeki metal küçük bir distorsiyon ile kalıp içinden geçebilir. Yüzeye yakın metal Şekil 83’de gösterildiği gibi bir deformasyon modeli üretecek şekilde önemli oranda kayar. Genellikle yüzeydeki metal akışı merkezdeki akıştan geri kalır ve yüzeyde çatlaklar oluşur (özellikle metal kütlenin yüzey bölgesi soğursa). Bu tipik örneklerden, malzeme-alıcı ve kalıp arayüzeyindeki sürtünme şartları ve malzemedeki termal değişim metal akışını etkileyen iki faktör olarak ortaya çıkar.
Şekil 83- Direk ekstrüzyonda malzeme akış modeli
8.2-Kuvvetler Direk ekstrüzyon operasyonunda zımba kuvveti farklı durumlar için aşağıda açıklandığı gibi hesaplanabilir. Ekstrüzyon oranı R , şu şekilde belirlenir:
R=A o / A f
( 40 )
360 Burada, A o malzemenin kesit alanı ve A f , mamülün kesit alanıdır. (Şekil 84). Şekil değiştirmenin mutlak değeri
ε 1 = ln( Ao / A f ) = ln( L f / Lo ) = lnR Burada L
o
ve L
f
( 41 )
sırası ile malzemenin ve mamülün uzunluklarıdır. Akma gerilmesi Y olan
mükemmel plastik bir malzeme için, plastik deformasyonda birim hacim için harcanan enerji U,
U=Y.ε1
( 42 )
Buradan malzemede yapılan iş
İş= (Ao)(Lo).(U)
( 43 )
Bu iş L mesafesince hareket eden zımba kuvveti F ile sağlanır. Böylece
İş= F.Lo= p.Ao.Lo
( 44 )
Burada; p zımbadaki ekstrüzyon basıncıdır. Plastik deformasyon işini dışardan yapılan işe eşitleyerek
p=U=Y ln ( A o / A f )=Y ln R
( 45 )
Dikkat edilirse, pekleşen malzemeler için Y ’nin ortalama akma gerilmesi Y ile yer değiştirmesi gerekir.
Şekil 84- Direk ekstrüzyon işleminde değişkenler
8.3-İdeal Deformasyon ve Sürtünme (45) eşitliği herhangi bir sürtünme olmaksızın ideal deformasyona aittir. Kalıp-malzeme arayüzeyinde sürtünme olduğu zaman (fakat hazne cidar sürtünmesi değil) slab analiz metoduna dayanarak p basıncının aşağıdaki gibi verilebileceği gösterilebilir.
p = Y( 1 +
tan α
µ
)( R µCotα − 1 )
( 46 )
Ölü bölge sebebiyle, alıcıdaki malzeme akışının 45 °’lik bir açı boyunca meydana geldiği kabul edilerek p nin bir hesabı yapılabilir.
361 Eğer kalıp boyunca oluşan sürtünme gerilmesi, malzemenin k, kaymasındaki akma gerilmesi olacak şekilde farz edilirse (k = Y / 2)
p = 1.7YlnR olduğu gösterilebilir.
( 47 )
Bu analizde malzeme-alıcı arayüzeyindeki sürtünmeyi yenmek için gerekli kuvvet ihmal edilmektedir. Sürtünme gerilmesinin malzemenin kaymasındaki k akma gerilmesine eşit olduğu kabul edilerek (sürtünme nedeniyle gereken ilave zımba basıncı p f )
p f ( πDo 2 / 4 ) = πDo kL veya p f = k ( 4 L / Do ) = Y ( 2 L / Do )
( 48 )
şeklinde elde edilir. Burada L, alıcıda kalan malzemenin boyudur. Böylece ( 47 ) eşitliği
p = Y ( 1.7 lnR + ( 2 L / Do ))
( 49 )
şekline girer. Pekleşen malzemeler için bu ifadelerdeki Y, Y ile yer değiştirmelidir. Dikkat edilirse malzeme daha fazla ekstrüze edildiğinde L azalır ve böylece zımba kuvveti de azalır (Şekil 85). Halbuki indirek ekstrüzyonda zımba kuvveti malzeme uzunluğunun bir fonksiyonu değildir.
Şekil 85- Zımba yolunun fonksiyonu olarak ekstrüzyon basıncındaki değişme a) Direk ekstrüzyon b) İndirek ekstrüzyon Malzeme kalıba doğru hareket ettiği için alıcıda oluşan sürtünme direnci nedeni ile direk ekstrüzyonda basınç daha yüksektir.
362
8.4 - Gerçek Kuvvetler Sürtünme, kalıp açısı ve malzemenin homojen olmayan deformasyonu nedeniyle, fazla işi kapsayan analitik ifadelerin çıkarılması zor olabilir. Ayrıca sürtünme katsayısının, malzemenin akma gerilmesinin ve özel operasyonlarda fazla işin tahmininde zorluklar vardır. Netice olarak geçerli ampirik bir formül geliştirilmiştir.
p = Y(a+b ln R )
( 50 )
Burada a ve b deneysel olarak belirlenen katsayılardır. a ve b değerleri yaklaşık olarak sırasıyla 0.8 ve 1.2- 1.5’dir. Dikkat edilirse pekleşen malzemeler için Y, (42) eşitliği ile verilen şekil değişimi için malzemenin ortalama akma gerilmesi olan Y ile yer değiştirir.
8.5 - Optimum Kalıp Açısı Kalıp açısı, ekstrüzyon kuvvetleri üzerinde etkili olan önemli bir faktördür. Bu durum; takip eden gözlemlerden anlaşılabilir. a - İdeal deformasyon işi sadece ekstrüzyon oranının bir fonksiyonu olduğundan kalıp açısından bağımsızdır (Şekil 86). b - Malzeme-kalıp temas boyu arttığından kalıp açısının düşmesi ile sürtünme işi artar. Böylece fazla iş gerekir. c - Homojen olmayan deformasyon nedeniyle fazla iş, kalıp açısı ile artar. Toplam zımba kuvveti bu üç bileşkenin toplamı olduğundan kuvvetin minimum olduğu bir açı vardır (Şekil 86). Her bir bileşenin davranışı kalıp açısının bir fonksiyonu olarak alınmadıkça bu optimum açının belirlenmesi zordur. Son yıllarda soğuk ekstrüzyon alanında büyük ilerlemeler kaydedilmektedir. Şekil 87, açık ve kapalı kalıp kullanan soğuk ekstrüzyonun ileri ve geri tiplerinin temel prensiplerini göstermektedir. Bu proses daha ziyade fışkırtma ekstrüzyon olarak isimlendirilir ve kurşun, kalay, alüminyum gibi yumuşak, düşük mukavemetli metallerden diş macunu tüpleri, merhem tüpleri ve hap kutuları, elektronik ve elektriki aparatlarda koruma için kullanılan küçük kutular ve yiyecekler için büyük kutuların yapımında kullanılır. Son yılarda soğuk ekstrüzyon, soğuk dövme başlı yumuşak çelik parçalar içinde kullanılmaktadır. Ekstrüzyon ve soğuk dövme başı kombine ederek bu zorluğun kolayca üstesinden gelinebilir. Böylece büyük çaplı çubuklardan işlenerek yapılan parçalarda önemli oranda malzeme tasarrufu sağlanır.
363
Şekil 86- Kalıp açısının fonksiyonu olarak eksırüzyon kuvvetinin değişimi a) Toplam kuvvet b) İdeal kuvvet c) Deformasyon için gerekli kuvvet d) Sürtünmeyi yenmek için gerekli kuvvet. Dikkat edilirse, toplam ekstrüzyon kuvvetinin minimum olduğu yerde optimum bir kalıp açısı vardır.
Ayrıca, soğuk dövme başın sınırlamalarını ortadan kaldırmak için kullanılan orta büyüklükte çubuk, çok safhalı baş yapma operasyonu uygulanabilen küçük çaplı bir çubuktan daha ucuzdur. Hidrostatik ekstrüzyon olarak bilinen başka bir tip soğuk ekstrüzyonda, ya atmosfer basınçlı veya düşük basınçlı hazne içine, kalıptan bir çubuk ekstrüze etmek için yüksek akışkan basıncı kullanılır. Şekil 88’de açıklanan basınç-basınç prosesi, molibden berilyum ve tungsten gibi nispeten gevrek malzemelerin ekstrüzyonunu mümkün kılar.
Şekil 87- Soğuk ekstrüzyon metodu
364
Şekil 88- Farklı hidrostatik basınçla ve nispeten gevrek malzemelerin ekstrüzyonu için kullanılan hidrostatik ekstrüzyon metodu.
8.6-Sıcak Ekstrüzyonda Kuvvetler Yüksek sıcaklıklarda metallerin şekil değiştirmeye duyarlı olmaları nedeniyle sıcak ekstrüzyonda kuvvetleri hesaplamak zordur. Ortalama gerçek şekil değiştirme oranı aşağıdaki gibi gösterilebilir.
ε=
6Vo Do 2 tan α Do 3 − D f 3
lnR
( 51 )
Burada Vo zımba hızıdır. Dikkat edilirse, yüksek ekstrüzyon oranları ( D o » D f ) ve α = 45 o için kare bir kalıp ve kötü yağlamalı durumlarda olabildiği gibi (böylece büyüyen bir ölü bölge) şekil değiştirme hızı aşağıdaki gibi düşer.
ε = ( 6Vo / Do )lnR
Şekil 89- Ekstrüzyon basıncına sıcaklık ve zımba hızının etkisi
( 52 )
365 Ekstrüzyon basıncına zımba hızı ve sıcaklığın etkisi Şekil 89’da gösterilmiştir. Beklendiği gibi özellikle yüksek sıcaklıklarda, zımba hızı ile basınç hızlıca artar. Ekstrüzyon hızı arttığı için birim zamanda yapılan işin oranı da artar. İşin ısıya dönüşmesi nedeniyle yüksek hızlarda meydana gelen ısı yeterli bir oranda sarf edilmeyebilir. Sıcaklıktaki müteakip yükselme iş parçası malzemesinin ergime başlangıcına ve hatalara sebep olabilir. Dairesel yüzey çatlakları ısıl çekme nedeniyle gelişebilir (ekstrüzyonda bu, hız çatlaması olarak bilinir). Bu problem ekstrüzyon hızının azaltılmasıyla önlenebilir. Ekstrüzyonda kuvvetlerin hesaplanmasında kullanılan uygun bir parametre bir çok faktörü ihtiva eden ve deneysel olarak belirlenen ekstrüzyon sabiti Ke ile aşağıdaki gibi verilir.
p = K e lnR
( 53 )
Şekil 90, çeşitli malzemeler için tipik bazı Ke değerlerini verir.
Şekil 90- Çeşitli malzemeler için sıcaklığın fonksiyonu olarak ekstrüzyon sabiti ( K e )’ nin değişimi. Değişik malzemeler için sıcaklık aralığına dikkat edilmelidir. a) 1100 Alüminyum c) 70-30 Pirinç e) Soğuk haddelenmiş çelik g) Molibden b) Bakır
d) Berilyum
f) Paslanmaz çelik
h) Krom
Açıklamalı Problem: Yaklaşık 125 mm çap ve 250 mm uzunluğunda bakır bir blok 250 mm/s’lik bir hızda ve 815 °C’de ekstrüze edilir. Kare kalıp ve yetersiz yağlama şartları için, eğer mamul çapı 50 mm ise bu operasyonda gerekli kuvveti hesaplayınız.
366
Çözüm: Ekstrüzyon oranı R= 125 2 / 50 2 = 6.25 Ortalama gerçek şekil değiştirme oranı (52) eşitliğinden
ε=(6x250/125) ln 6.25=22 Sıcak çalışma şartlarında bakırın akma gerilmesi hesap edilir. σ d = Cε m = 130 x 22 0.06 = 157.68 Y = σ kabul ederek ve (49) eşitliğinden
p =Y (1.7lnR+2 L / Do) = 157.68 [1.7 x 1.83+2 x 250 / 125] = 1121.3 MPa Buradan;
F = pAo = 1121.3(πx125 2 / 4) = 13760 kN 8.7 - Ekstrüzyon Pratiği Çeşitli malzemeler çeşitli kesitte ve boyutta ekstrüde edilebilir. Ekstrüzyon oranları yaklaşık 10’dan 100 ve daha fazla aralıkta olabilir. Zımba hızları ise 0.5 m/s kadar olabilir. Genel olarak düşük hızlar alüminyum, magnezyum ve bakır için, yüksek hızlar çelik, titanyum ve refraktör alaşımlar için tercih edilir. Sıcak ekstrüzyon için genellikle hidrolik ve yatay presler; soğuk ekstrüzyon için ise düşey presler kullanılır. Ekstrüzyon için üç temel metot mevcuttur. Sıcak ekstrüzyon genellikle direk veya indirek ekstrüzyonun biri ile gerçekleştirilir (Şekil 91). İndirek konfigürasyon, metal kütle ve hazne cidarı arasındaki sürtünmeyi düşürmesine rağmen, ilave ekipman ve sınırlı mamül boyu direk metodu cazip kılar. Üçüncü metot, genellikle soğuk yapılan ve ileride açıklanacak olan darbeli (çarpma, fışkırtmalı) ekstrüzyondur. Ekstrüzyon hızları haznedeki metalin soğumasını minimuma indirecek şekilde oldukça yüksektir. Fakat yapılan büyük deformasyondan dolayı açığa çıkan büyük ısı miktarı dezavantaj olabilir.
367
Şekil 91- Direk ve indirek ekstrüzyon
8.8-İçi Boş Parçaların Ekstrüzyonu İçi boş parçalar çeşitli metotlarla ekstrüde edilebilir(Şekil 92). Tüp şeklindeki mamüller için Şekil 93’deki sabit veya hareketli mandrel prosesleri uygulanır. Daha karmaşık iç boşluklar için örümcek (ayaklı) mandrel veya desenli kalıp kullanılır (Şekil 94). Sıcak metal, ayaklar arkasında aktığı için kalıp ve mandrel arasında ileri derecede kalınlık azalması sonucu parçalı malzeme kapanmaya ve kaynamaya zorlanır. Metal kirlenmeye maruz kalmadığından çok iyi kaynak oluşur. Ayakların yorma izleri mamülde görülmez. İçi boş parçaların ekstrüzyon maliyetinin dolu olanlardan önemli oranda yüksek olduğu açık olarak görülebilir. Fakat herhangi diğer bir metotla üretilemeyen çok çeşitli mamüller üretilebilir.
Şekil 92-Ekstrüzyonda imal edilmiş çeşitli profiller
368
Şekil 93-İç mandrel kullanarak küçük boruların ekstrüzyon metodu
Şekil 94- Örümcek mandrel kullanarak delik bir parçanın ekstrüzyonu
8.9-Sıcak Ekstrüzyon Yüksek sıcaklıklarda malzemenin şekil değiştirme duyarlılığına ilave olarak sıcak ekstrüzyon bazı özel şartları gerektirir. Alıcı içinde malzemenin soğuması, homojen olmayan deformasyona sebep olur. Daha da öteye, malzeme ekstrüzyondan önce ısıtılması sebebiyle bir oksit tabakası ile kaplanır. Bu oksit, farklı sürtünme özellikleri sebebiyle malzemenin akışını etkileyebilir ve oksit tabakası ile kaplı bir mamül üretebilir. Bu problemden sakınmak için zımbanın önündeki ön levhanın çapı (Şekil 80 (a)) alıcınınkinden çok az küçük yapılır. İnce bir silindirik kabuk (okside olmuş tabakayla birleşik) alıcı içinde kalır ve mamül oksitlerden arınmış olarak ortaya çıkar.
8.9.1-Merdaneli Ekstrüzyon İnce cidarlı silindirler, Şekil 95’de şematize edilen haddeli ekstrüzyon prosesi ile kalın cidarlı malzemelerden imal edilebilir. Dönen bir merdanenin sıkıştırma hareketi, metali merdane ve karşısındaki dış bilezik arasından geçmeye zorlar. Bu yolla 19 mm’den 4000 mm çapa kadar silindirler yapılmasına rağmen 75-500 mm aralığındakiler için çok yaygın olarak kullanılır.
369 Alternatif olarak bir iç mandrel ve bir dış merdane kullanmak mümkündür. Fakat burada mandreli çıkarmak için karşılık yapılmak zorundadır.
Şekil 95 - İç merdane ile merdaneli ekstrüzyon prosesi
8.10-Yağlama Sıcak ekstrüzyonda yağlama önemlidir. Çelikler, paslanmaz çelikler ve yüksek sıcaklıklı malzemeler için cam mükemmel bir yağlayıcıdır. Viskozitesi yüksek sıcaklıklarda devam eder ve iyi ıslatma özelliğine sahiptir. Malzeme, alıcı ve kalıp arasında termal bir bariyer olarak davranır. Böylece soğumayı minimuma indirir. Dairesel bir cam yüzük genellikle kalıp girişine yerleştirilir. Bu yüzük ekstrüzyon ilerlediğinde yavaş yavaş yumuşar, ergir ve bir optimal kalıp geometrisi oluşturur. Camın viskozite - sıcaklık özelliği bu uygulamada önemli bir faktördür. Grafit ve molibden disülfit gibi katı yağlayıcılar da sıcak ekstrüzyonda kullanılır. Demir olmayan metaller için grafit kullanabilmesine rağmen (Tablo 10) genellikle bir yağlayıcı olmaksızın ekstrüde edilebilirler. Alıcı ve kalıba yapışma eğilimine sahip malzemeler için, malzeme bakır veya yumuşak çelik gibi daha yumuşak bir metal folye ile kapatılabilir. Arayüzeyde düşük sürtünme hareketine ilave olarak, bu sarma malzemenin çevreden kirlenmesini önler. Eğer malzeme toksit veya radyoaktifse çevrenin malzemeden kirlenmesini de önler. Sarma tekniği metal tozlarını işleme içinde kullanılır.
8.11-Kalıplar Sıcak ekstrüzyon için kalıp malzemeleri genellikle sıcak iş kalıp çelikleridir. Kalıp ömrünü arttırmak için kalıplar kaplanabilir. Ekstrüde olan mamüllerin çok çeşitli olmaları nedeniyle kalıp dizaynı önemli oranda tecrübe gerektirir. Tipik kalıp dizaynları Şekli 96’da gösterilmiştir. 90o’lik açılı kalıplar (kare kalıplar) özellikle alüminyum gibi demir dışı malzemelerin ekstrüzyonunda kullanılabilirler(Şek.97). Borular, bir mandrel bağlanmış zımba ile üretilir (Şekil 98). Zımbalanmış delikli malzemeler için mandrel zımbaya bağlanabilir. Eğer malzeme katı ise ilk olarak mandrel ile alıcıda delinmelidir. Ekstrüzyonun karmaşıklığı, şekil faktörü olarak bilinen parçanın kesit alanı/çevre uzunluğu oranının bir fonksiyonudur. Yassı şekiller, örümcek, port çemberi ve köprü kalıplar olarak bilinen çeşitli özel kalıplar kullanılan metotlar ile üretilebilir
370 (Şekil 99). Metal, kalıbın kolları etrafından çıkışta yüksek kalıp basıncı altında yeniden kaynaklı kollarla akar. Bu proses, basınç kaynağı kapasitesi sebebiyle sadece alüminyum ve bazı alüminyum alaşımları için uygundur. Yağlayıcı, ekstrüzyon sırasında kaynaklaşmayı önlediğinden kullanılmayabilir. Sıcak ekstrüzyon için tipik sıcaklık aralıkları Tablo 15’de verilmiştir.
Şekil 96- Tipik ekstrüzyon kalıp konfigürasyonları a) Demir ve demir dışı malzemeler için b) W-Cr’lu sıcak iş çeliğinden yapılmış T- şekilli ekstrüzyon kalıbı. Bu kalıplar cam yağlayıcı ile kullanılır. Kalıp dizaynı genellikle tecrübeye dayanmasına rağmen b’de gösterildiği gibi metal akış modellerine uygun kalıp dizayn etmek deformasyon enerjisini en aza indirmek ve hatasız, mamüller elde etmek için analitik teknikler geliştirilmektedir.
Şekil 97- İçi boş ve dikdörtgen kesitli bir profil için ekstrüzyon matrisi (Sebat A.Ş. Kayseri)
Şekil 98- Bir dikişsiz borunun ekstrüzyonu Ham malzeme içindeki delik önceden zımbalanarak delinebilir veya ekstrüzyon sırasında oluşturulabilir
371
Şekil 99- Parçada beş ayrı boşluk oluşturmak için gerekli özel kalıp örneği. 6063 – T6 alüminyumdan yapılmış bu parça alüminyum ekstrüzyon ile yapılmış merdivenler için bir anahtardır. Bu parça 8 mm kalınlığında, 230 mm uzunluğunda ve 14 kg/m ağırlığındadır. Tablo l5- Çeşitli metaller için ekstrüzyon sıcaklık aralıkları
8.12-Soğuk Ekstrüzyon Soğuk ekstrüzyon direk, indirek ve dövme gibi proses kombinasyonlarına atfedilen genel bir terimdir (Şekil 100). Çeşitli malzemeler, oda sıcaklığında veya birkaç yüz derece sıcaklıklarda ekstrüde edilebilirler. Soğuk ekstrüzyon, sıcak ekstrüzyona göre aşağıdaki avantajları sebebiyle endüstride geniş kabul bulmuştur. a -Plastik deformasyon ve sürtünme ile meydana gelen ısı, ekstrüde olan malzemeyi rekristalize etmemesi şartıyla, pekleşme nedeniyle mekanik özellikler iyileşir. b -İyi tolerans kontrolü böylece minimum işleme operasyonu gerektirir. c -Yağlama etkili olmak şartıyla iyi yüzey kalitesi elde edilir. d - Oksit tabakası oluşmaz. e - Yüksek üretim hızlarına sahiptir ve ekonomiktir.
372
Şekil 100- Soğuk ekstrüzyon örnekleri. Takımlar malzeme akış yönünü belirler. Bu işlem dövme olarak da sayılabilir
Diğer taraftan soğuk ekstrüzyonda takımdaki gerilmeler, özellikle çelikler işlenirken, çok yüksektir. Takımlardaki gerilme seviyesi akma gerilmesinin en az üç katı olan malzeme sertliği düzeyindedir. Bu yüzden takım dizaynı ve uygun malzeme seçimi soğuk ekstrüzyonda başarı için önemlidir. Takım sertliği genellikle zımba için 60-65 HRC, kalıp için 58-62 HRC aralığındadır. Zımbalar sadece yeterli mukavemete sahip olması yanında aynı zamanda tok, aşınma ve yorulmaya dirençli olmaları gerektiğinden kritik parçalardır (Tablo 7). Yağlama yeni yüzeyler üretmesi ve yağlamanın olmaması durumunda da metal ve takım arasında tutukluk olması ihtimali sebebiyle özellikle çelikler için kritiktir. En etkili yağlama, iş parçası üzerinde fosfat kaplama ve sabun (bazı durumlarda mum) kullanmaktır (Tablo 10). Soğuk ekstrüzyonda sıcaklık yükselmesi, özellikle yüksek ekstrüzyon oranlarında, önemli bir faktördür. Sıcaklık; soğuk işlenmiş malzemenin rekristalizasyon prosesini başlatmak ve tamamlamak için yeterli yükseklikte olabilir. Böylece soğuk işlemenin avantajları azalır.
8.13-Fışkırtma (Çarpma ) Ekstrüzyon Bu işlem soğuk ekstrüzyon katagorisinde bulunan ve indirek ekstrüzyona benzer bir prosestir(Şekil 80). Zımba yüksek bir hızla malzeme üzerine iner ve sonra ileri doğru ekstrüde olur. Üretilen boru şeklindeki kesitin kalınlığı zımba ve kalıp arasındaki boşluğun bir fonksiyonudur. Çarpma ekstrüzyon prosesi ile genellikle çaplarına göre cidar kalınlıkları az olan boru gibi kesitler üretilir. Bu oran, 0.005 kadar küçük olabilir. Zımba ve malzeme arasındaki merkezleme üniform cidar kalınlığı için önemlidir. Çarpma ekstrüzyonun tipik bir örneği diş macunu tüpü gibi hafif tüplerin üretimidir (Şekil 101). Zımba kursu presin ayarlanması ile belirlenir. Çarpma ekstrüzyonla üretilen diğer şekiller, Şekil 102’de gösterilmiştir. Çok çeşitli demirdışı metaller saniyede iki parçaya varan yüksek üretim hızlarında düşey pres kullanarak bu yolla üretilebilir.
373
Şekil 101- Bir macun tüpünün fışkırtma (çarpma) ekstrüzyonu. Diş macunu tüpü gibi düşük ergime noktalı malzemeler için uygundur. Bu operasyon Hooker prosesi olarak da bilinir.
Şekil 102- Demir dışı metallerden fışkırtma (çarpma) ekstrüzyon ile imal edilmiş örnekler. Bunların bazıları döküm ve talaşlı işleme ile de yapılabilir. Proses seçimi birçok teknik ve ekonomik faktörlere bağlıdır.
8.14-Hidrostatik Ekstrüzyon Bu proseste ekstrüzyon basıncı malzeme etrafını saran akışkan ile sağlanır (Şekil 80 (c)). Hidrostatik ekstrüzyon alıcı-cidar sürtünmesi olmaması ve alıcı içindeki basıncın bir miktar akışkanı kalıp yüzeylerine göndermesi hariç direk ekstrüzyona benzer. Böylece sürtünme önemli oranda azalır. Proses, gres kullanarak oda sıcaklığında veya cam, ısıya dirençli gres metal oksidi veya 500 °C’nin üzerindeki sıcaklıklarda basınç iletme ortamı olarak tuzlar kullanarak yüksek sıcaklıklarda sürdürülebilir. Hidrostatik gerilme nedeniyle orta süneklilikte gevrek malzemeler, hidrostatik ekstrüzyonla başarılı olarak ekstrüde edilebilir. Düşük bir basınca sahip ikinci bir basınç haznesi içinde parçayı ekstrüde ederek süneklilik iyileştirilir (akışkandan akışkana ekstrüzyon). Hidrostatik ekstrüzyon için sürekli ekstrüzyonu da kapsayan çeşitli diğer teknikler geliştirilmektedir. Şekil 103’de gösterildiği gibi, sünek malzemeler, tel ve bakır boruları da kapsayan çeşitli şekillerde başarılı olarak ekstrüde edilirler. Demirdışı sünek metallerde deneysel olarak çok daha yüksek oranlar elde edilmesine rağmen, endüstriyel uygulamalar için ekstrüzyon
374 oranları yaklaşık 200 kadardır. Deneysel çalışmalardaki başarıya rağmen hidrostatik ekstrüzyon sınırlı endüstriyel uygulamalara sahiptir. Bunun sebebi takımların kompleks tabiatlı oluşu ve uzun işlem süresidir.
Şekil 103 - Hidrostatik ekstrüzyonla telin kesit alanının düşürülmesi. Bu işlem bir sürekli operasyondur. Pratik zorluklarından dolayı hidrostatik ekstrüzyon henüz önemli bir imalat prosesi olamamıştır.
8.15-Ekstrüzyon Hataları Aşağıda açıklandığı gibi ekstrüzyonda üç çeşit hata vardır :
8.15.1-Yüzey Çatlakları Eğer ekstrüzyon sıcaklığı, sürtünme veya ekstrüzyon hızı çok yüksek ise, yüzey sıcaklıkları önemli oranda artar. Yüzey çatlağına ve yırtılmaya sebep olabilir (hızlı çatlama). Bu çatlaklar kristaller arasıdır ve genellikle sıcak çekmelerden kaynaklanır. Özellikle alüminyum, magnezyum ve çinko alaşımlarında meydana gelir. Düşük sıcaklık ve hızlar kullanarak bu durumdan sakınılabilir. Yüzey çatlaması düşük sıcaklıklarda meydana gelebilir ve ekstrüde edilen mamülün kalıp düzlüğü boyunca periyodik yapışmasına bağlanır (Şekil 96(a)). Ekstrüde olan mamül kalıp düzlüğüne yapıştığında ekstrüzyon basıncı hızla yükselir. Kısaca mamül tekrar ileri doğru hareket eder ve basınç serbest kalır. Daha sonra işlem tekrarlanır.
8.15.2-Yüzey Hatası Yüzey çatlağı konusunda belirtildiği gibi Şekil 82 (d)’de gözlenen metal akış tipi yüzey oksitlerini ve safsızlıkları malzemenin merkezine doğru çekmeye çalışır. Bu ekstrüzyon hatası, boru, kuyruk borusu veya balık kuyruğu olarak bilinir. Bu hata, sürtünme kontrolü ve sıcaklık değişimini minimuma indirme ve akış modelini homojen olana kadar ayarlayarak azaltılabilir. Diğer bir metot, ekstrüzyondan önce malzemenin yüzeyinden kav ve safsızlıkları gidermek için
375 işlemektir. Alıcıdan daha küçük çaplı bir ön levha kullanarak ekstrüzyon hatasından sakınılabilir (Şekil 80 (a)). Böylece ekstrüzyon ilerlerken alıcı cidarı boyunca ince bir kabuk bırakılır.
8.15.3 -İç Çatlaklar Ekstrüde olmuş bir mamülün merkezinde çatlaklar gelişebilir. (merkezi çatlama olarak bilinir). Bu çatlaklar kalıptaki deformasyon bölgesinin merkezinde hidrostatik çekme gerilmesine neden olur. (ikincil çekme gerilmesi). Bu durum tek eksenli çekme numunesindeki boyun bölgesine benzer. Hidrostatik çekmeyi etkileyen önemli değişkenlerin kalıp açısı, ekstrüzyon oranı (kesit alanındaki azalma) ve sürtünme olduğu belirlenmiştir. Ekstrüzyonda homojen olmayan deformasyonların gelişmesini gözleyerek durum en iyi şekilde anlaşılabilir. Şekil 104’de gösterilen deneysel sonuçlar, aynı azalma oranı için kalıp açısı büyüdükçe deformasyon kesitindeki homojensizliğin arttığını belirlemiştir. Dikkat edilirse yüzey tabakalarının, ölü bölgesi olabilen büyük kalıp açılarında nasıl deforme olduğu görülür. Kalıp açısına ilave olarak iç çatlamalarda diğer bir faktör kalıp temas boyudur. Kalıp açısı küçüldükçe temas boyu artar. Bu durum düz bir uçla yapılan sertlik testine benzer. Deformasyon bölgesinin boyut ve derinliği temas boyu artıkça artar. Bu durum, Şekil 105’de gösterilmiştir.
Şekil 104- İndirek ekstrüzyonda değişik kalıplarda
Şekil 105- Rijit ve plastik bölgeleri gösteren
oluşan tane deformasyon ve kalınlık azalması. Dikkat
ekstrüzyonda deformasyon bölgesi. Dikkat edilirse
edilirse kalıp açısı büyüdükçe ekstrüze edilmiş
plastik bölgeler karşılaşmaz ve böylece şevron
parçanın üst yüzey tabakası iç kısma göre daha fazla
çatlamalarına sebep olur.
deforme olmuştur.
Benzer çatlamalara yuvarlak çubukların konik yapılarından çekilmesi sırasında ve düz şerit plakaların kenarlı kalıplardan çekilmesinde de rastlanır.
376 Önemli bir parametre, h / l oranıdır. Bu oran arttıkça deformasyonda homojensizlik artar. Yüksek oranlar büyük kalıp açıları demektir. Homojen olmayan deformasyon, malzeme merkezinin tamamen plastik durumda olmadığını gösterir. Bunun sebebi, kalıp temas boyları altındaki üniform olmayan plastik deformasyon bölgeleridir(Şekil 105). Benzer şekilde, büyük kalıp açıları yüzeylerde malzemenin akışını oyalarken merkezi kısımlar kalıp içinden daha serbest hareket ederler. Yukarıda tarif edilen (yüksek h / l oranları) bu hatalar, hata oluşumu için kaynak oluşturduklarından, safsızlık, inkilüzyon ve boşluklar ihtiva eden malzemelerde daha kolay ortaya çıkar. Ekstrüzyonda yüksek sürtünmenin bu çatlakların oluşumunu hızlandırdığı ortaya çıkar. Bu tür çatlaklar boru ekstrüzyonunda (Şekil 98) ve boruların düzeltilmesinde (Şekil l02)’de gözlenir. Çatlaklar yukarıda açıklanan sebeplerle iç yüzeylerde de gözükebilir. Özet olarak merkezi çatlama eğilimi, artan kalıp açısı ve safsızlıkların seviyesi ile artarken ekstrüzyon oranının artması ile azalır.
8.16-Ekstrüzyon Ekipmanları Ekstrüzyon için temel ekipman bir hidrolik prestir. Bu preslerin çoğu yataydır (Şekil 106). Çeşitli ekstrüzyon operasyonları için dizayn edilirler. Kranklı tip mekanik presler, soğuk ekstrüzyon, delme ve çelik boruların kitlesel üretimi için kullanılır (Şekil 54). Ekstrüzyon için en büyük hidrolik pres 160MN’luk bir kapasiteye sahiptir.
Şekil 106. Tipik bir yatay ekstrüzyon presi
377
9- SAC VE PLAKALARIN DERİN ÇEKİLMESİ Düz bir sac veya metal plakanın kalınlığının çok katı bir derinlikte, üç boyutlu derin bir parça olarak şekillendirildiği plastik bir şekil verme prosesleridir. Zımba kalıbın içine girdiği veya kalıp zımbaya doğru hareket ettiği için metal birlikte çalışan zımbanın ve kalıbın şeklini alır. Sıcak derin çekme genellikle silindirik, basit geometrili ve nispeten kalın cidarlı parçaların şekillendirilmesi için kullanılır. Kalıp içinden geçtiği için metal önemli oranda incelir. Soğuk çekmede genellikle ince metal kullanılır. Metal kalınlığında çok az incelme olur veya hiç olmaz. Çok çeşitli şekillerde parçalar imal edilir. Sıcak çekme Şekil 107’de şematik olarak gösterilmiştir. Gösterildiği gibi dişi kalıp üzerine ısıtılmış düz bir metal disk yerleştirilir. Sonra zımba aşağı iner, metali kalıbın içine iter ve düz parça bir kap şekline dönüşür. Eğer zımba ve kalıp arasındaki boşluk çekilen metalin kalınlığının iki katından az ise, kap cidarı incelir. Bu prosese ütüleme denir. Şekil 2’de gösterildiği gibi deformasyon sırasında gerilme durumu başlıca iki eksenli sıkıştırma ve çekmedir. Şekil 107’de gösterildiği gibi çapta daha fazla düşürme küçük çaplı bir zımba ve kalıpta yeniden çekerek elde edilebilir. Bu şekil, tek bir zımba ile kabın çeşitli kalıplar içinden çıkabileceğini gösterir. Sıcak çekme oksijen tankları ve top namlularına benzer kalın cidarlı silindirik parçaların çekilmesi için kullanılır. Ayrıca dişi kalıp kapalı olduğu halde diğer parçaların şekillendirilmesi için kullanılır. Erkek kalıp veya zımba şekli oluşturmak için malzemeye yaklaşır ve parçanın çıkarılması için tekrar yükselir.
Şekil 107- Tek ve çoklu kalıp kullanarak derin ve sıcak çekme metotları
Soğuk çekme iki farklı operasyonu temsil eden bir terimdir. Eğer şekillendirilecek malzeme sac şeklinde ise, soğuk çekme plastik akışın eğri bir eksen üzerinde meydana geldiği bir şekillendirmedir. Her biri birkaç saniye içinde çekilebilen küçük kaplardan büyük otomobil gövde panellerine kadar geniş bir uygulama alanı nedeniyle, bu işlem bütün soğuk şekillendirme
378 operasyonlarının en önemlilerinden biridir. Soğuk çekme; sıcak çekmeye benzer fakat deformasyon kuvvetlerinin yüksek, metalin ince, sünekliliğin sınırlı ve boyutsal toleransların dar oluşu belirli bazı problemler çıkarır. Eğer şekillendirilecek malzeme, tel, boru veya çubuk şeklinde ise ekstrüzyona benzer bir çekme ile, bir kalıp içinden çekerek malzeme kesitindeki azaltma prosesine de soğuk çekme denir. Çekilmiş parçanın derinliği çapından daha az veya çekilmemiş sacın yüzeyinde ise işlem sığ çekme olacaktır. Eğer derinlik çaptan daha büyükse o zaman derin çekme olarak adlandırılır.
Şekil 108- Çekme sırasında iki temel akış tipi.
Şekil 108’de gösterildiği gibi temel olarak çekmenin iki tipi vardır. Her ikisi de çok eksenli veya eğri eksenli eğmeyi ihtiva eder. Şekil 2’de belirtildiği gibi gerilme şartları karmaşıktır. Çekme sırasında çapın D’ den d’ ye azalmasından kaynaklanan çevresel sıkıştırma vardır. Metal ince olduğundan, burkularak veya buruşarak çevresel baskıyı karşılar. Bu eğilim şekillendirme sırasında düz yüzeyler arasındaki sacı sıkıştırarak önlenmelidir. Sac çekildiği için metal akışında kontrollü bir dengeleme sağlanır. Diğer taraftan germeli şekillendirmede çap d’ den D’ ye arttığı için zorunlu olarak meydana gelen çevresel germenin bir sonucu olarak metal incelir. Bu metalin yırtılmasına sebep olabilir. Çoğu durumda çekilmiş parçalarda büzülme ve germe bölgeleri oluşur. Bu da karmaşık problemler meydana getirir. Çekilecek kompleks parçaların dizaynına önemli oranda kompüter teknikler ile yardımcı olunur. Netice olarak, böyle dizaynlar bilim, tecrübe, ampirik data ve gerçek deneysel çalışmaların tümünü kapsar. Buruşma ve kalınlıktaki değişmeyi önlemek için metalin akışı kontrol edilmelidir. Bu genellikle bazı tip basınç yüksüğü veya ıstampa ile gerçekleştirilir. Şekil 109’da gösterildiği gibi tek etkili preslerde, yay veya hava basıncının bir hareketi ile, üst kalıp ve basınç yüksüğü arasında metal akışını kontrol etmek için sadece başlık kullanılır. Çift etkili presler kullanılırsa Şekil 110’da gösterildiği gibi iki veya daha fazla bağımsız başlık ile basınç yüksüğüne uygulanan kuvvet ana başlığın bağımsız pozisyonu ile kontrol edilebilir. Bu ise, çekme operasyonu sırasında basıncın gerektiği gibi değişmesine müsaade eder. Bu sebeple çok kompleks parçaların çekilmesinde çift etkili presler yaygın olarak
379 kullanılır. İş parçası boyunca metal akışı üniform olmadığından çekilmiş birçok parça şekillendirmeden sonra fazla veya arzu edilmeyen kısımları gidermek için tıraşlanmak zorundadır. Bu ise, maliyetin artmasına sebep olur. Bu durumda tıraşlamadan kurtulmak için çekmeden önce özel şekilde esilmiş sac kullanılır. Şüphesiz bu yaklaşım özel şekilli bir hazırlama kalıbı gerektirir. Metodun seçilmesi parçanın karmaşıklığına ve üretilecek miktara bağlıdır. Hazırlama ve çekme kalıbı çelikten yapıldığında çok pahalı olur. Neticede, daha ucuz takım ile yapılacak bu operasyonlara veya daha az kalıp seti veya ısıl işlemle yapılacak daha büyük deformasyonlara müsaade etmek için çok sayıda yol ve proses geliştirilmiştir. Hatta bu proseslerin çoğu şekillendirilebilen metal cinsleri veya şekillerine göre belli sınırlamalara sahiptir. Bunların bazıları aşağıda incelenecektir.
Şekil 109- Tek etkili bir presle derin çekme metodu.
Şekil 110- Çift etkili bir preste kullanılan çekme kalıpları.
380
9.1-Sıcak ve Soğuk Sıvama Sıvama, dönen düz bir disk şeklindeki metal parçalarının plastik şekillendirilmesidir. Zorlanan diskin bir tarafına bölgesel basıncın uygulanması ve karşı tarafta tutulan dönen erkek kalıba metali sıvamak suretiyle genişletilir. Temel proses Şekil 111’de gösterilmiştir. Ayna bir eksen üzerinde döndürülür. Genellikle basit bir torna üzerine metal disk merkezlenir ve sonra tornanın iş miline bağlanmış bir kalıbın ince ucuna karşı tutulur. Disk ve kalıp döndüğünde operatör, malzemeyi kalıba sıvamaya sebep olan bölgesel basıncı metale uygular. Şekillendirilmiş parçanın nihai çapı ilk diskten küçük olduğu için çevresel çarpılma meydana gelebilir. Bunu önlemek için operatör metali germelidir. Çoğu sıvama işlemleri ince metal saclar kullanılarak soğuk olarak yapılmasına rağmen genellikle çelik ve kalın metal plakaların asimetrik sıvanmasında sıcak sıvama kullanılır. 150 mm kalınlığa kadar metaller, basınçlı yıkama kapları ve tank şeklinde rutin olarak sıvanır. Şekillendirilmesi zor daha ince plakalar sıcak sıvama yöntemiyle şekillendirilir. Sıcak veya soğuk sıvamanın temel teorisi aynıdır. Fakat diğer sıcak proseslerde olduğu gibi, sıcak sıvama şekil değiştirme sertleşmesi olmaksızın daha kalın metallerin şekillendirilmesine imkan verir. Basit olarak ahşap veya metal el takımları soğuk sıvama için uygundur. Sıcak sıvamada mekanik ve kontrol mekanizmaları ile ağır merdaneler kullanılır. Esasen sıvama basit, yuvarlak uçlu ahşap veya metal bir takımla veya küçük bir merdane ile bölgesel basınç uygulayarak erkek bir kalıp üzerine dönen disk şeklindeki sac metalin çekildiği bir soğuk şekillendirme operasyonudur. Operatör açısından önemli bir ustalık gerektirir. Genellikle metal biraz incelir fakat usta bir işçi tarafından bu incelme çok küçük yüzdelerde tutulabilir. Metalin basınç altında çekilmemesine karşı, kalıp sert tahtadan yapılabilir. Bitirilmiş parçada herhangi bir kabarıklık görülmeyeceğinden düz bir yüzeye sahip olması esastır. Böylece takım maliyeti düşük ve bu yüzden az miktarlar için proses ekonomiktir. Fakat proses lamba refraktörleri, pişirme kapları ve bazı müzik aletleri gibi bir çok sürekli üretim uygulamalarında da kullanılır. Önemli sayıda belli parçalar yapılacaksa, metal bir form kalıp kullanılır. Sıvama bir parçalı kalıptan direk olarak çekilebilen şekiller için çok uygundur. Diğer şekiller çok parçalı kalıp kullanarak başarılı bir şekilde imal edilebilir. Böylece parçalar buzdan yapılmış ve sıvama yapıldıktan sonra ergitilen form blokları üzerine de başarılı bir şekilde yapılabilir. Operatörden fazla ustalık beklemeden sıvamanın ekonomik avantajlarını arttırmak için sıvama makinaları geliştirilmiştir. Sıvama merdanelerinin hareketi, herbir parça için programlanarak kontrol edilir. Sonra, müteakip kısımlar aynı deformasyon derecesi ile daha iyi mukavemet ve çok az ıskarta vererek ortaya çıkar. Böyle makinalar kalın cidarlı metallerin sıvanmasını mümkün hale getirir.
381
Şekil 111- Sıvama ile metal bir levha şekillendirilmesinde safhalar.
9.1.1- İncelterek Sıvama İncelterek sıvama, kayma esasına dayanan, sıvama prosesinin basit bir çeşididir. Metal akışı tamdır ve normal sıvamada meydana gelen çevresel büzülmeyi telafi etmek için radyal yönde ezilmelerin olmaması gerekir. Netice olarak konik, yarım küre ve silindirik şekiller bu prosesle daha kolay yapılabilir. Cidar kalınlıkları bölgelerin açısı ile değişecektir. Şekil 111’de gösterildiği gibi konik parçalarda son şeklin cidar kalınlığı ve malzeme arasındaki ilişki
t c = tb Sinα ’dır. Eğer α , 30o ’den az ise, orta bir tavlama ile iki safhada şekillendirmeyi tamamlamak mümkündür. Fakat daha genel limit yaklaşık olarak 5 / 1 veya % 80 azalmadır. Genellikle konik şekiller Şekil 112’de gösterilen direk prosesle şekillendirilir. Fakat bunlar Şekil 113’de gösterilen ters akma prosesi ile de yapılabilir. Ters proseste, merdanelerin besleme yönünü değiştirerek alıştırma mandreline gerek duymaksızın dış ve iç bükey parçaları şekillendirmek mümkündür. Şekil 114’de gösterildiği gibi şekillendirme silindirleri direk veya indirek etkirler. Ters proses mandrelden daha uzun bir silindiri şekillendirme avantajına sahiptir. Bir merdane ve mandrel ile yapılan böyle bir ters akış hadde ekstrüzyonu olarak bilinir. Uzun, ince cidarlı silindirler arzu edildiğinde Şekil 115’de gösterilen yeniden şekillendirme prosesi kullanılır. Proses kaymalı şekillendirme ve normal sıvamanın bir kombinasyonudur. İlk safha iş parçasının cidarında değişiklik olmazken daha sonraki safhalarda bir değişiklik meydana gelir.
382
Şekil 112- Temel sıvama prosesi (kaydırmalı)
Şekil 113- Zıt kaymalı sıvama ile konik bir parçanın şekillendirilmesi
Şekil 114- Direk (sol) ve zıt kaymalı (sağ) proseste bir silindirin kaymalı sıvanması.
Şekil 115- Soldan sağa ve aşağıya doğru sırasıyla dört sahada uzun bir silindirin şekillendirilmesi için ön şekillendirme prosesi.
9.1.2- Germe (Uzatma) Germe işlemi, ekonomik olarak şekillendirilecek az miktarda özellikle büyük belli sac metal parçalara uygulanarak havacılık endüstrisi tarafından geliştirilmiştir. Gösterildiği gibi sadece bir erkek şekil bloğu gerektirir. Sac metal, yukarı doğru yükselen şekil bloğu etrafında metali saran ve geren iki veya daha fazla çene tarafından kavranır. Germenin çeşitli kombinasyonları ve kullanılan şekil bloğunun yukarı hareketi parçanın şekline bağlıdır. Germenin düzenli kontrolü ile, normal eğme ve şekillendirme sırasında oluşan basma gerilmelerinin çoğu veya hepsi elimine edilir. Netice olarak çok az geri yaylanma vardır ve iş parçası şekil bloğunun şeklini tamamen
383 alır. Şekil bloğu tamamen basma altında olduğundan sert ahşap veya spreylenmiş ve levha şeklinde haddelenmiş plastikten yapılabilir. Proses kaporta, kanat ucu, kepçeler ve alüminyum, büyük uzay panelleri ve düşük karbonlu çelikten büyük otomobil ve traktör panelleri yapımında kullanılır. Germe-sarma şekillendirme prosesin diğer bir adıdır. Germe çekme şekillendirme esas olarak gerilmiş metali erkek ve dişi kalıp şekline sokma hariç aynı prosestir.
9.1.3-Kabartma Şekil 116’da gösterilen kabartma, ince sac metallerde kabartma ve diğer şekilleri meydana getirmek için uygulanan bir metottur. Temel olarak, derinliği metal kalınlığının 1-3 katı olan çekme derinlikleri ile açık kalıplarda yürütülen çok sığ çekme operasyonudur.
Şekil 116- Kabartma işlemi
9.2-Dikişli Borular Küçük çaplı çelik borular, metal şeritlerin sıcak şekillendirilmesi ve metalde ısı tutup kenarlarının kaynağını yapmak suretiyle iki prosesle imal edilir. Bu proseslerin her ikisinde de uzun ve arzu edilen kalınlıkta dar şeritler şeklinde çelik malzeme kullanılır. Şerit önceden sıcak haddelendiğinden ve kaynak işlemi basınçlı şekillendirme ve rekristalizasyon meydana getirdiğinden bu proseslerle kaynatılan borular kalite bakımından üniformdurlar.
9.2.1-Alın Kaynaklı Borular Sürekli sargı şeklindeki malzeme bir fırından geçirilerek şekillendirme sıcaklığına ısıtılır. Fırından çıkar çıkmaz silindir şeklindeki şekillendirme haddeleri arasından geçirilir. Merdaneler arasından geçtiği için şeridin kenarlarına uygulanan basınç metali şekillendirmeye ve kenarları birlikte kaynatmaya yeterlidir. İlave merdanelerle boru istenen boyda kesildikten sonra işleme aynen devam edilir. Normal boru çapları 3 mm’den 75 mm’ ye kadar olabilir. Tek bir ünite ile üretim hızları saatte 10000 mm’ yi geçer.
384
9.2.2-Bindirme Kaynaklı Borular Boru yapmada kullanılan bindirme kaynağı alın kaynağından farklıdır. Burada şerit; pahlı kenarlara sahiptir. Kaynağı yapmak için bir takım merdane ile birlikte bir mandrel de kullanılır. Proses başlıca 50-400 mm çapında büyük borular için yaygındır. Mandreli desteklemek ve çıkarmak gerektiğinden boru boyu 7 m ile sınırlıdır.
9.3.1-Delme Kalın cidarlı ve dikişsiz borular delme prosesi ile yapılır (Şekil 117). Isıtılmış, yuvarlak çubuk ucu merkezi zımbaya irtibatlandırılarak, aynı yönde dönen dışbükey sivriltilmiş ve çubuğun ekseninden yaklaşık 6 °lik karşı açılarda yerleştirilmiş iki adet merdane arasına itilir. Bazı durumlarda merdaneler arasındaki boşluk çubuğun çapından daha azdır. Çubuk merdaneler tarafından kapılıp döndürüldüğü için çekilecek çubuk merdane arasından ilerler. Merdaneler arasında azaltılmış boşluk dönen çubuğu eliptik şekli almaya zorlar. Eliptik bir kesitle dönme, metali ana eksen etrafında kaymaya zorlar ve yarılmasına sebep olur. Yarık açıldığı için çubuk şekillendirilerek ve genişletilerek dikişsiz tüp şeklini alır. Tüpün şekillendirilmesi tamamlandıktan sonra delici mandrel geri alınır, çubuk çıkarılır, sonra tüp, son ölçüsüne getirilmeden önce cidar kalınlığını düşürmek ve çapını arttırmak için daha büyük bir mandrel üzerine haddelenir. 300 mm çapında tüp boru üretmek için Mannesmann tip hadde tesisatı kullanılır. Daha büyük boyutlar, delme ile aynı prensipte olan fakat Conuex merdaneler yerine daha büyük çaplı konik diskler kullanan Stiefel delme yöntemiyle imal edilir.
Şekil 117-a) Mannesman usulü ile dikişsiz boru üretimi b)Mannesman usulünde çatlak oluşma mekanizması
385
9.4-Sac Şekillendirmede Dizayn Hataları Sac metal şekillendirmedeki başarısızlığın önemli bir bölümü, verilen bir bölgede uzama neticesi aşırı incelme veya kırılma ile neticelenen şekillendirmeyle ilgilidir. Şekillendirilmiş parçalarda deformasyon aşırılığını hızla ve ekonomik olarak değerlendirme, gerilme analizi ve şekillendirme limit diyagramı vasıtasıyla yapılır. Şekil 118’de gösterildiği gibi bir model veya şema, sac yüzeyine elle, kopya ederek veya dağlayarak çizilir. Sonra sac deforme edilir. Şekil değiştirmiş model ölçülür ve değerlendirilir. Genişlemiş alanların bulunduğu bölgeler önemli incelme bölgeleridir. İncelmeye karşı gelen alanlarda daralmalar, burkulmalar veya buruşma bölgeleri olabilir. Oluşan büyük ve küçük gerilmelerin değerlerini ölçmek için Şekil 118’de gösterildiği gibi değerler şekillendirme limit diyagramı üzerine işaretlenir. Limit hattının üzerine düşen gerilmeler muhtemel kırılma alanlarını belirler. Arzu edilmeyen deformasyon karakteristikleri yağlayıcı ve kalıp dizaynı değiştirme veya basıncı düşük tutma gibi metotlarla yok edilmeye çalışılır.
Şekil 118- Levha metal deformasyon analizinin tipik modeli (sol). Çatlama riski olmaksızın bir metalin şekillendirilip şekillendirilemeyeceğini belirlemede kullanılan şekillendirme sınır diyagramı.
10-ÇUBUK VE TEL ÇEKME Bir çubuğun kesit alanının ve kalınlığının konik bir kalıptan çekerek düşürülmesi operasyonudur (Şekil 119). Açık kalıp, herhangi bir şekle sahip olabilir. Tel çekme 0.025 mm’ye kadar küçük ölçülerde malzeme çekmeyi kapsar. Çekme prosesi bazen ekstrüzyona benzer. Ancak tel çekmede mamül gerilme altındayken ekstrüzyonda malzeme basmaya zorlanmaktadır. Çubuk ve tel çekme genellikle tamamlama operasyonudur. Mamül ya üretilen şekilde kullanılır veya genellikle eğme veya işleme ile diğer şekillerde işlenir. Çubuklar, küçük pistonlar, çekmeye maruz yapısal elemanlar, miller, civata ve vida gibi bağlayıcılar için ham malzeme olarak çeşitli uygulamalarda kullanılır. Tel ve tel mamüller, elektrik ve elektronik ekipmanlar, teller, kablolar,
386 yaylar, müzik aletleri, tel sepetler, ızgaralar ve alışveriş elemanları gibi geniş uygulama alanı olan ürünlerdir.
Şekil 119-Yuvarlak çubuk ve tel çekme işleminde değişkenler.
10.1-Yuvarlak Kesitlerin Çekilmesi 10.1.1-Çekme Kuvvetleri ve Gerilmeler Çekme prosesinde önemli değişkenler kesit alanındaki azalma, kalıp açısı ve sürtünmelerdir (Şekil 119).
10.1.2-İdeal Deformasyon Yuvarlak bir çubuk veya tel için, ideal deformasyonun en basit durumu(çekme gerilmesi σd sürtünmesiz ve fazla iş yok) Bölüm 8.2’de tarif edilen ekstrüzyondaki gibi aynı yaklaşımla elde edilebilir. Böylece;
σ d = Y ln( Ao / A f )
( 54 )
Dikkat edilirse bu ifade (43) eşitliği ile aynıdır ve birim hacimdeki enerjiyi de ifade eder. Pekleşen malzemeler için Y, deformasyon bölgesindeki ortalama akma gerilmesi Y ile yerdeğiştirir (Şekil 119). Böylece gerçek gerilme-şekil değiştirme davranışı gösteren malzemeler için, σ d = Kε n
387 Ortalama akma gerilmesi Y şöyle verilir. Y = Kε1 / (n + 1) n
Böylece çekme kuvveti F = YA f ln(A o / A f )
( 55 )
olur. Görülüyor ki, kesit alanındaki azalma arttıkça ve malzeme mukavimleştikçe çekme mukavemeti de yükselir (Şekil 120).
Şekil 120- Çubuk çekmede deformasyon bölgesinde akma gerilmesi ile uzamanın değişmesi. Çıkışa doğru şekil değişiminin hızla arttığına dikkat edilmelidir. Çıkış çapı sıfır olduğu zaman gerçek şekil değişimi sonsuza gider.
10.1.3-İdeal Deformasyon ve Sürtünme Çekmede sürtünmenin etkisi, çekme kuvvetini arttırmaktadır. Slab analiz metodu kullanarak çekme gerilmesi, σd şu ifade ile verilir.
⎛ ⎛ tan α ⎞⎜ ⎛⎜ A f σ d = Y ⎜⎜1 + ⎟ 1− µ ⎟⎠⎜⎜ ⎜ Ao ⎝ ⎝ ⎝
⎞ ⎟ ⎟ ⎠
µcot α
⎞ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠
( 56 )
Hatta araştırmalar göstermiştir ki bu ifade fazla işi ihtiva etmemektedir. Küçük kalıp açıları ve büyük kesit azalmaları için deneysel datalar iyi uyum gösterir.
388 10.1.4-Deformasyon Fazla İşi
Kalıp açısına ve kesit azalmasına bağlı olarak çekmede malzeme ekstrüzyonda olan kadar homojen olmayan deformasyona uğrar. Bunun anlamı, çekme gerilmesi için olan ifadede bulunacaktır. Bu ifade aşağıdaki gibidir. ⎡⎛ tan α ⎞⎛ ⎛ A f σ d = Y ⎢⎜⎜1 + ⎟⎟⎜1 − ⎜⎜ ⎜ A µ ⎠ ⎢⎝ ⎝ ⎝ o ⎣
⎞ ⎟⎟ ⎠
µCotα
⎞ 2 ⎛ 1 − r ⎞⎤ ⎟ + α2 ⎜ ⎥ ⎟ 3 ⎝ r ⎟⎠⎥ ⎠ ⎦
( 57 )
Burada r, alanın kırılmaya ait azalması ve α radyal kalıp açısıdır. (57) eşitliğindeki ilk terim ideal ve sürtünme işi bileşenlerini ifade eder. İkinci terim fazla iş bileşenidir. Dikkat edilirse son terim beklendiği gibi kalıp açısının bir fonksiyonudur. Açı büyüdükçe homojen olmayan deformasyon artar ve böylece fazla iş de artar. Küçük kalıp açıları ve işin tüm üç bileşenlerini de ihtiva eden çekme gerilmesi için diğer bir ifade, ⎡⎛ µ ⎞ ⎛ A f σ d = Y ⎢⎜1 + ⎟ ln⎜⎜ ⎣⎢⎝ α ⎠ ⎝ Ao
⎞ 2 ⎤ ⎟⎟ + α ⎥ ⎠ 3 ⎦⎥
( 58 )
şeklindedir. Bu ifadedeki son terim fazla iş bileşenidir ve bununla iş Şekil 86’da gösterildiği gibi kalıp açısı ile lineer olarak artar. Fazla deformasyonun h / l oranının bir fonksiyonu olması sebebiyle, bir homojensizlik faktörü φ (58) eşitliğinde son terimle yer değiştirir. Yuvarlak kesitlerin çekilmesinde; bu faktör, yaklaşık olarak şöyle verilir.
φ = 1+0.12( h / l )
( 59 )
Çekme gerilmesi için basit bir ifade,
(
σ d = φY [1 + (µ / α )]ln Ao / A f
)
( 60 )
olarak verilir. Her zaman deneysel datalarla uyum göstermemesine rağmen, çekme gerilmesi için geçerli ifade tel çekmedeki gerekli gerilmelerle iyi bir yaklaşım verir. Daha önemlisi bunlar mevcut bir çok parametrenin etkilerini belirler. İyi bir yağlama ile bu eşitlikteki µ değeri yaklaşık 0.03-0.1 aralığında değer alır. 10.1.5-Kalıp Basıncı
Kalıp temas uzunluğu boyunca herhangi bir çaptaki kalıp basıncı p aşağıdaki ifadeden elde edilebilir. P=Y f – σ
( 61 )
389 burada σ herhangi bir çapta deformasyon bölgesindeki çekme gerilmesidir ( σ çıkışta τ d’ ye eşit, girişte sıfırdır.) Y
f
, şekil değiştirmesine karşılık gelen herhangi bir çapta malzemenin akma
gerilmesidir. Bu ifade gerilme sistemine maruz bir element için akma kriterine bağlıdır. Burada iki prensip doğrultusunda basma gerilmelerinin ikisi de p’ ye eşittir. Dikkat edilirse çekme gerilmesi çıkışa doğru arttığından, kalıp basıncı çıkışa doğru düşer. Çekme gerilmesi ve kalıp basınç dağılımları Şekil 121’de kalitatif olarak gösterilmiştir.
Şekil 121- Deformasyon bölgesi boyunca çekme gerilmesi ile kalıp temas basıncının değişimi. Dikkat edilirse çekme gerilmesi arttığı zaman kalıp basıncı düşmektedir. Bu durum akma kriterinden görülebilir.
Açıklamalı Problem:
Tavlanmış AISI 302 paslanmaz çelikten yuvarlak bir çubuk 0.5 m / s lik bir hızla 10 mm lik bir çaptan 8 mm çekiliyor. Sürtünme ve fazla iş, ideal deformasyon işinin % 40 olduğu kabul edilirse; a) Bu operasyonda gerekli gücü hesaplayınız. b) Kalıp çıkışında kalıp basıncını hesaplayınız. Çözüm:
a-) Bu operasyonda gerçek şekil değiştirme
(
)
ε1 = ln 10 2 / 8 2 = 0.446 K = 1300 MPa ve n = 0.3 olarak alınırsa, n
Y = Kε1 /( n + 1 ) = 1300 x 0.446 0.3 / 1.3 = 785MPa ,
55 eşitliğinden F = Y A f ln(Ao /A f ) Burada, A f = π.0.008 2 / 4 = 5.10 −5 m2 çıkar ve buradan, F =785 x 5.10-5 x 0.446 =0.0175MN bulunur.
390
Güç=F.V f =0.0175x0.5=0.00875 MN.m/s = 0.00875MW = 8.75kW Gerçek güç=1.4 x 8.75 =12.25 kW b-) 61 eşitliğinden
P=Y f – σ Burada Y f çıkışta malzemenin akma gerilmesini ifade eder. n
Y f =K ε1 =1300x0.4460.3=1020 MPa ve bu eşitlikte σ çekme gerilmesi σd’dir. Buradan gerçek kuvveti kullanarak,
σd =F / A f =1.4x0.0175 /0.00005 = 490 MPa Böylece çıkışta kalıp basıncı
P = 1020-490 = 530MPa
10.1.6- Yüksek Sıcaklıklarda Çekme Yüksek sıcaklıklarda metallerin akma gerilmesi şekil değiştirme oranının bir fonksiyonudur. Görülüyor ki çekmede deformasyon bölgesinde ortalama gerçek şekil değiştirme oranı
ε
ile
hesaplanır.
(
ε = (6Vo / Do )ln Ao / A f
)
( 62 )
Yüksek sıcaklıklarda özel bir çekme operasyonunda, ortalama şekil değiştirme oranından yararlanılarak malzemenin akma gerilmesi belirlenir. Çekme gerilmesi ve kalıp basıncı için olan eşitliklerde Y yerine konur.
10.1.7-Optimum Kalıp Açısı Bölüm 8.2’de gösterildiği gibi iş üzerinde kalıp açısının çeşitli etkileri nedeniyle (ideal sürtünme ve fazla iş ekstrüzyon kuvvetinin minimum olduğu optimum bir kalıp açısı vardır. Çekmeye benzer deformasyon tipi ihtiva ettiğinden Şekil 86’da gösterildiği gibi çubuk ve tel çekmede de optimum bir kalıp açısı vardır. Şekil 122 deneysel bir çalışmadan tipik bir örnek gösterir. Minimum kuvvet için optimum kalıp açısı kesit daralmasıyla artar. Dikkat edilirse çekmede optimum açılar oldukça küçüktür.
391
Şekil 122- Bakır bir telin çekilmesinde optimum kalıp açısına kesir azalmasının etkisi. Optimum açının alandaki azalmayla arttığına dikkat edilmelidir.
10.1.8-Bir Geçişte (Pasoda) Maksimum Kesit Azalması Dikkat edilirse bütün ifadelerde büyük kesit daralmaları ile çekme gerilmesi artar. Çekme gerilmesinin büyüklüğü sınırlanabilir. Böylece eğer malzemenin akma gerilmesine ulaşılırsa mamül kalıbı bırakarak akmaya kolayca devam edecektir. Mamül daha fazla deformasyona uğrayacağından bu kabul edilemez. Mümkün olan maksimum çekme gerilmesi sadece çıkan malzemenin akma gerilme sine eşit olabilir. Bir Y, akma gerilmesiyle mükemmel bir plastik malzemenin ideal durumlarda sınırlama şartları
( ) veya ln(Ao / A f ) = 1
σ d = Y ln Ao / A f = Y
Buradan;
( 63. a )
Ao / A f = e ve böylece
her pasoda maksimum daralma = ( A o-A f ) / A o =1-(1-e )= 0.63 = % 63
( 63. b )
Her pasoda maksimum daralma üzerine sürtünme ve kalıp açısının etkileri Şekil 86’da gösterilenlere benzerdir. Sürtünme ve fazla iş, çekme gerilmesini artırdığından her pasodaki maksimum daralma idealden daha az olacaktır. Bir başka deyişle yüksek çekme kuvvetlerini devam ettirmek için çıkan malzeme daha büyük bir kesit alanına sahip olmalıdır. Bu etkiler; sürtünme faktörü m’yi kullanarak Şekil 123’te gösterilmiştir. Şekil değiştirme sertleşmesinin etkisi, şekil değiştiren malzemenin geri kalanından daha mukavim olmasıyla ortaya çıkar. Böylece her pasodaki maksimum daralma artar.
392
Şekil 123- Tel çekmede mümkün olan maksimum azalmaya sürtünme faktörü (m) ve kalıp açısının etkisi . m = 1 değeri tamamen yapışmaya işaret eder. Dikkat edilirse (61. b) eşitliği ile belirlendiği gibi mümkün olan maksimum azalma %63’tür.
Açıklamalı Problem n
Gerçek gerilme - şekil değiştirme eğrisi σ=K ε ile bir malzeme için her pasoda maksimum daralma ifadesini elde ediniz (Sürtünme ve fazla iş ihmal edilecek).
Çözüm:
(
)
(54) eşitliğinden bir malzeme için σ d = Y ln Ao /A f = Y .ε1 yazılabilir. Burada; n
Y = Kε1 /( n + 1) ve σ d , bu problem için ε1 ’de akma gerilmesine eşit maksimum
bir değere sahip olabilir.
σ d = Y f = K .ε1n Buradan 63.a eşitliği aşağıdaki gibi yazılabilir.
(
)
(
K .ε1n = K .ε1n / n + 1 ε1 veya ε1 = n + 1 ; ε1 = ln Ao / A f
)
Maksimum daralma =( A o - A f ) / Ao olduğundan bu ifadeler indirgenir. Bir pasoda maksimum daralma =1-e - (n+1) dir. Dikkat edilirse n = 0 olduğundan (mükemmel plastik malzeme) bu ifade 63.b eşitliğine indirgenir. N arttığından her pasoda maksimum daralmada artar.
393
10.2-Düz Şeritlerin Çekilmesi Yuvarlak kesitlerin çekilmesi asimetrik olmasına rağmen, yüksek genişlik / kalınlık oranlarıyla düz şeritlerin çekilmesi, bir düzlem şekil değiştirme problemi olarak ele alınabilir. Kalıplar kama şekilli ve proses geniş şeritlerin haddelenmesine benzerdir. Çekme sırasında şeridin genişliğinde ya hiç değişiklik olmaz veya çok az olur. Herhangi bir endüstriyel önemi olmamasına rağmen bu proses ütülemede temel deformasyon mekanizmasıdır. İdeal sert şerit için çekme gerilmesi aşağıdaki gibi verilir (Düzlem şekil değiştirme halinde malzemenin akma gerilmesi olarak Y’ ile yer değiştirir).
σ d = Y ′ ln( t o / t f )
( 64 )
Burada t0 ve tf sırasıyla şeridin orijinal ve nihai kalınlıklarıdır. Şerit çekmede sürtünme ve fazla işin etkileri yuvarlak kesitler için olanlara benzerdir. Örneğin (57) eşitliğinde kesit alanı yerine kalınlık konularak şerit çekme için kullanılabilir. Her paso için maksimum daralma (64) eşitliğinde çekme gerilmesini malzemenin tek eksenli akma gerilmesine eşitleyerek elde edilir. Böylece;
Her pasodaki maksimum daralma = 1 −
1
e
3/2
= 0.58 = %58
( 65 )
10.3-Boruların Çekilmesi Ekstrüzyon veya diğer proseslerle üretilen boruların kalınlık ve çapları Şekil 124’te gösterilen boru çekme prosesi ile azaltılabilir. Çeşitli profillerde kalıp ve mandreller kullanarak şekil değişikliği gerçekleştirilir. Çekme kuvvetleri, kalıp basınçları ve boru çekmede bir pasodaki maksimum azalma, yuvarlak çubuklar için tarif edilene benzer bir yaklaşımla hesaplanabilir. Çubuğun bir ucu inceltilir veya çentilerek orjinal çubuk kesitinden daha dar bir kalıp içine sokulur. Bir kıskaçla tutularak çekilir. Çubuğun kesiti düşer, boyu uzar ve pekleşir. İstenilen ürünü elde etmek için gerekli olan bir çok pasoda kırılmayı önlemek için her geçişte kesitteki azalma genellikle % 20-50’dir. Sünekliliği iyileştirmek ve daha sonraki işlemleri kolaylaştırmak için tavlama gerekebilir. Esas olarak Bölüm 14’te açıklanan sıcak boru çekme ile aynıdır. Temiz bir boru soğuk çekildiğinde sıcak çekme ile elde edilenden daha düz yüzeyli, ince cidarlı ve daha hassas boyutludur. Borular için 12.5-250 mm çapında mandreller kullanılır. Kalın kesitli ve 12.5 mm iç çaptan daha az borular, boru yarma olarak bilinen bir prosesle mandrel kullanmaksızın çekilir. Prosesin basitliği ve uzun boylu mamül üretmeye imkan vermesi nedeniyle, iç çapın tamlık kontrolü yapılamamasına rağmen, kullanılır. Eğer kontrollü bir iç çap,
394 uzun boy ile üretilmek durumundaysa, Şekil 125’te gösterildiği gibi serbest bir soket ile iç mandrel kullanılır. Eğer uygun dizayn yapılmışsa, dış kalıp borunun dışını şekillendirirken dengeli bir pozisyon ve ölçüde ıstampa iç kısmı şekillendirir.
Şekil 124 -Değişik boru çekme metotları
Şekil 125-Serbest malafa ile boru çekme.
10.4-Çekme Pratiği Başarılı çekme operasyonları proses parametrelerinin dikkatli seçilmesi ve bir çok faktörün dikkate alınmasını gerektirir. Yüksek sıcaklıklarda geniş kesitler çekilebilir. Soğuk çekmede pekleşme sebebi ile pasolar arasında yeterli sünekliliği devam ettirmek için ara tavlama gereklidir. Yaylar ve müzik aletleri için çelik teller, çekme operasyonunu takip eden bir ısıl işlem prosesiyle yapılır. Bu teller yaklaşık % 20’lik kesit daralması ile 4800 MPa gibi yüksek maksimum çekme mukavemetine sahiptir.
395 10.5-Kalıp Dizaynı ve Malzemeler Çekme için tipik bir kalıp dizaynı karakteristik durumuyla Şekil 126’da gösterilmiştir. Kalıp açıları genellikle 6-15° arasındadır. Kalıp düzlüğünün gayesi, mamülün son çapını ayarlamak ve ölçülendirmektir. Ayrıca kalıp kullanmadan sonra yeniden taşlandığı zaman kalıp düzlüğü korunur. Bir çubuk veya tel bir ucundan konikleştirilerek kalıba verilir. Ucu kalıba yerleştikten sonra, tel çekme makinasının çenesine bağlanır. Çubuk veya tel kalıp içinden sürekli olarak çekilir. 10.5.1-Ekipman Çekmede kullanılan iki tip ekipman vardır. Bir çekme tezgahı uzun yatay çekme test makinasına benzer. Büyük kesitli düzgün çubukların tek pasoda çekilmesi ve uzunluğu 30 m’ye kadar olan boruların bir hidrolik veya zincir tahrik mekanizmasıyla çekilmesi için kullanılır. Küçük kesitli çubuk veya tel dönen bir tambur ile çekilir. Bu sistemde gerekli kuvvet çekme ile sağlanır. Her pasoda, kesitteki azalma yaklaşık % 10-45 arasındadır. Genellikle kesit daraldıkça her pasodaki daralma da azalır. Yağlamasız durumda bir pasoda % 45’ten büyük azalma yüzey kalitesinin kötüleşmesi ile neticelenir. Yüzey kalitesini iyileştirmek ve boyutsal hassasiyeti sağlamak için çubuklarda hafif daralmalar yapılabilir. Çoğu tel çekme operasyonlarında tel bir seri kalıp içinden geçer. Çıkış telinde aşırı gerilmeden sakınmak için herbir kalıp çifti arasında bir tambura bir veya iki defa sarılır. Tambur sadece çekmeyi sağlamak için değil aynı zamanda bir sonraki kalıba giren tele küçük bir arka germe de sağlar. Arka germe kalıp basıncını düşürür ve kalıp ömrünü arttırır. Bakır ve pirinç tel çekme terminolojisi Tablo 16’da verilmiştir. Tablo 16-Bakır ve pirinç telin soğuk çekilmesi için sertlik terminolojisi
396 10.6-Kalıplar Kalıp malzemeleri genellikle alaşımlı takım çelikleri, karbür veya elmastan yapılır (Tablo 6). Elmas bir kalıp (ince tellerin çekilmesinde kullanılır) bir metal matrikste tek kristal veya bir polikristal elmas olabilir. Karbür ve elmas kalıplar Şekil 126’da gösterildiği gibi bir çelik gövdeyle desteklenen bir ara eleman olarak yapılır. Rijit kalıplara ilave olarak bir avara merdane seti çeşitli şekillerde çubukların çekilmesinde kullanılır. Şekil 127’deki bu düzenlemeler ve merdaneler farklı mamüller için çeşitli pozisyonlara ayarlanabildiğinden normal kalıplardan daha verimlidir. Çekme hızları merdaneye ve kesit alanına bağlıdır. Hızlar kalın kesitler için 0.15 m/s kadar düşük, çok ince kesitler için 50 m/s kadar yüksek olabilir. Bir çekme kalıbındaki tipik aşınma modeli Şekil 128’de gösterilmiştir. Dikkat edilirse girişte kalıp aşınması en yüksektir. Bu bölgede kalıp basıncı yüksek olduğundan aşınmadan basınç sorumludur. Fakat diğer bir çok faktör de mevcuttur. Bunlar giren tel çapındaki değişme, titreşim (giriş temas bölgesi kararsız gerilmelere maruz kalır) ve giren tel yüzeyindeki oksit tabakası olabilir.
Şekil 126-Çelik bir gövdeye yerleştirilmiş tungsten karbür bir kalıp. Karbürler yüksek basma mukavemetine, sertliğe ve aşınma direncine sahiptirler. Bundan dolayı kalıp malzemeleri için uygundurlar.
Şekil 127 -Merdanelerin tel çekme için düzenlenmesi. Merdanelerin değişik şekilde düzenlenmesi ile farklı kesitler elde edilebilir.
Şekil 128 - Bir tel çekme kalıbında tipik aşınma modeli.
397 10. 7-Yağlama Çubuk, boru ve tel çekmede uygun yağlama esastır (Tablo 9). İki temel tip çekme, katı ve sıvı yağlamalı çekmedir. Kuru çekmede telin yüzeyi mukavemet ve sürtünme özelliklerine bağlı olarak çeşitli yağlayıcılar ile kaplanır. Yaygın bir yağlayıcı sabundur. Çekilecek çubuğun yüzeyi soyularak hazırlanır. Bu işlem, önemli oranda kalıp ömrünü azaltan, yüzey hatalarına sebep olabilen ve oldukça aşındırıcı yüzey oksitlerini giderir. Tel, sabun tozu ile dolu bir kap içinden geçerken sabun tel tarafından toplanır. Çelik, paslanmaz çelik ve yüksek sıcaklık alaşımları gibi yüksek mukavemetli malzemelerde çubuk veya telin yüzeyi metalle kaplanabilir. Bakır veya kalay metalin yüzeyinde kimyasal olarak biriktirilebilir. Bu ince yumuşak metal tabakası, çekme sırasında katı bir yağlayıcı gibi davranır. Yüzeyi değiştiren kaplamalar sülfat veya okselat olabilir. Bunlar tipik bir yağlayıcı olan sabun ile kaplanır. Titanyumun çekilmesinde olduğu gibi polimerler de katı yağlayıcı olarak kullanılır. Islak çekmede kalıp ve çubuk tamamen bir yağlayıcı içine daldırılır. Tipik yağlayıcılar madeni yağlar, hayvansal yağlar ve klorlanmış maddeler ihtiva eden emülsiyonlar ve çeşitli kimyasal bileşenlerdir. 10.8-Hatalar ve İç Gerilmeler Çekmede hatalar, özellikle merkezi çatlama, ekstrüzyonda gözlenenlere benzerdir. Başka bir hata, malzemede boyuna çizikler veya oyuklar şeklinde iz oluşumudur. Böyle hatalar şişirme, baş yapma, diş ovalama, çubuk veya telin eğilmesi gibi müteakip şekillendirme operasyonları sırasında oluşabilirler. Çeşitli yüzey hataları, proses parametreleri ve yağlamanın uygunsuz seçilmesinden de kaynaklanabilir. Homojen olmayan deformasyon sebebiyle, soğuk çekilmiş bir çubuk, tel veya boru genellikle iç gerilme ihtiva eder. Hafif daralmalar yüzey soyma veya yüzey haddelemeye tekabül eder. Dikkat edilirse çok hafif daralmalar için yüzey iç gerilmeleri basma şeklindedir. Böylece yorulma ömrü iyileşir (Şekil 129). Yorulmaya ilave olarak iç gerilmeler, belli zaman periyodundan sonra gerilmeli-korozyon iç çatlamalar için yeterli olabilir. Ayrıca tabaka, işleme gibi bir yolla kaldırıldığında parçanın çarpılmasına sebep olabilir. Yeterince düzgün olmayan çubuk ve borular farklı eksenlerde yerleştirilmiş bir dizi merdane çiftleri arasından geçirilerek düzeltilebilir ve merdaneler mamülü Şekil 71’de gösterilen metoda benzer bir seri eğme ve düzeltme operasyonuna maruz bırakırlar.
Şekil 129-Bir şaft ve flanş. Şaftın bir bölgesinde yorulma ömrünü artırmak için yüzeyde basma iç gerilmelerinin oluşmasını sağlayan yüzey haddeleme metodu
398 11- SOĞUK ŞEKİLLENDİRME İLE YÜZEY İYİLEŞTİRME Metal mamüllerin yüzeyini iyileştirmek veya değiştirmek için iki soğuk işleme metodu yaygın olarak kullanılır. Çekiçleme, yuvarlak uçlu bir takım veya bilye kullanarak tekrarlanan vuruşlarla yüzeyi dövmeyi kapsar. Yüksek bölgesel vuruşlar metal yüzeyini deforme eder ve gerilmeye sebep olur. Yüzey deformasyonu, yüzey altı ile desteklendiğinden neticede iç basma gerilmeleri etkisin de bir yüzey tabakası ortaya çıkar. Bu şartlar, tekrarlanan eğme gibi yorulma şartları altında çatlamaya direnç için oldukça uygundur. Çünkü basma gerilmeleri uygulanan çekme yüklerinden farklıdır. Bu sebeple mil, krank mili, dişli çark ve tekrarlanan yüklere maruz diğer parçalar genellikle dövülür. Çoğu imalat işlerinde yüzey dövme için fırlatılan bilyalar kullanılır. Kaynaktan sonra, distorsiyondan sakınmak ve çatlakları önlemek için elle veya pnömatik çekiç vasıtasıyla dövme yapılır. Fırçalama ise, işleme veya kesme sırasında metal yüzeyi üzerinde oluşan yüzey kabarıklıklarını gidermek için uygun basınç altında düz bir sert nesne ile ovalamayı kapsar. Bu yüzden plastik akış sebebiyle kabartıların sivriliği azalır. Merdaneli fırçalama, talaş kaldırarak şekillendirmeden sonra iç ve dış silindirik ve konik yüzeylerin kalitesini ve boyutlarını iyileştirmek için kullanılır. Sertleştirilmiş merdaneler yüzeye karşı bastırır ve yüzeyi hemen hemen düz bir şekle getir. Soğuk şekillendirme ve basma olduğu için yüzey daha iyi aşınma ve yorulma özelliklerine sahiptir. 12-EĞME Eğme yüzey alanında çok az veya hiç değişildik olmaksızın lineer bir eksen etrafında metalin plastik deformasyonudur. Bir kalıp kullanarak peş peşe iki veya daha fazla eğme yapıldığı zaman proses şekillendirme olarak isimlendirilir. Şekillendirmede iki eksen bir açı ile kesişir. Fakat her eksen lineer ve diğer eğme operasyonlarından bağımsız olmalıdır. Bu durumlarda sadece basit eğme teorisi geçerlidir. Etrafında deformasyonun meydana geldiği eksenler lineer ve bağımsız değildir. Bu proses bir çekme prosesidir ve eğme değildir. Şekil 130’da gösterildiği gibi iç tarafta sıkıştırma olurken nötr eksenin dış kısmında metalin gerilmesine sebep olur. Basmada metallerin akma mukavemeti, çekmedeki akma mukavemetinden yüksek olduğundan, eğme ekseninin dışında kalan metal ilk olarak akar ve bu yüzden nötr eksen iki yüzey arasında tam ortadan geçmez. Nötr eksen eğilme yarıçapına bağlı olarak, iç yüzeyden itibaren metal kalınlığının 1/3 1/2'sinden geçer. Metalin plastik akışı nötr eksenin dışında olması nedeniyle bazen eğmede incelir. Şekil 130’da gösterildiği gibi sac ve çubuğun merkezinde kenarlarınınkinden daha belirgin olmaktadır.
399 Bu olay bazı uygulamalarda zorluğa sebep olabilir. Basınç kuvvetlerinin bir neticesi olarak nötr eksenin iç tarafında plastik olarak şişmeye bir eğilim vardır. Kalın metaller eğilirken bu esas göz önüne alınmalıdır. Birlikte oluşan çekme ve basma şartları neticesinde şekillendirmeden sonra metal, eğilmemeye meyledecektir. Geri yaylanma yapabilir.
Şekil 130-Sac bir metalin eğilmesi. Eğilen sac veya çubuğun çekme tarafındaki çökmeden dolayı kenarlarındaki kalınlık daha fazladır
12.1-Eğme Açısı Yaklaşık 1.5 mm kalınlıktaki metal saclarda 150o’ye kadar açılı eğmeler bir çubuk katlayıcı içinde yapılabilir. Bu makinalar elle çalıştırılır ve genellikle 2.5 m’den daha küçüktür. Metal, sac katlama ünitesine konup pozisyonuna ayarlandıktan sonra kolu yükselterek, eğme ağzını sıkıştıran bir kanı harekete geçirilir ve kolun daha fazla kaldırılması metali istenen açıda eğer. Kalın saclarda eğme ve ince saclarda karışık eğme bir bükme presi üzerinde yapılır. Bunlar uzun veya hidrolik olarak tahrik edilen preslerdir. Şekil 131’de gösterildiği gibi farklı eğmeler için farklı kalıplar kullanılabilir. Ondüle gibi tekrarlanan eğme yapmak için birbirini takip eden stroklar arasında metal ileriye doğru beslenebilir. Kenet yapma, ondüle etme ve zımbalama gibi diğer operasyonlar bükme presleri ile uygun kalıplar kullanılarak yapılabilir. Fakat hacim uygun ve yeterli olduğu zaman (verimlilik açısından) bunların diğer ekipmanlarla yapılması daha ekonomik olabilir.
Şekil 131-Yuvarlatma ve köşeli şekillendirme amacıyla preslerde kullanılan değişik kalıp örnekleri
400 12.2 Eğme İçin Dizayn Eğilecek parça dizaynında çok sayıda faktör dikkate alınmalıdır. İlk önemli faktör metalde çatlama olmaksızın, eğmenin başarılı bir şekilde yapılabileceği minimum yarıçaptır. Şüphesiz bu, metalin sünekliliği ile ilgilidir. Minimum eğme yarıçapı R’nin metal kalınlığı t’ye oranının (geniş aralıktaki metaller için) kesitteki azalma yüzdesiyle ilgili olduğu gösterilmiştir (Şekil 132).
Şekil 132 - Eksantrik çekme testinde kesitin azalmasıyla ölçülen minimum eğme yarıçapını veren eğri
Görüldüğü gibi metal kalınlığından daha az bir yarıçap nadiren mümkündür. Eğmeler mümkün olan en büyük açı ile dizayn edilmelidir. Böylece dizaynlarda geniş bir malzeme çeşidi kullanımı sağlanır. Eğer metal önceden soğuk şekillendirilmişse veya yönlenmiş özelliklere sahip ise, bu onun eğme özelliklerine önemli etkide bulunacaktır. Mümkün olduğunca, önceki haddeleme yönüne dik doğrultuda eğme yapılması tavsiye edilir. Eğer, dik eğme ekseni söz konusuysa, metal haddeleme yönüne 45°’de eğilsin diye yönlendirilmelidir. Dizayncıyı ilgilendiren ikinci bir mesele, verilen boyutlarda eğilmiş bir parça üretecek düz bir çubuğun boyunu belirlemektir. Metal, merkezi hattının ortasında olmayan nötr eksen, malzeme kalınlığı ve eğme yarıçapının ayarlanmasını gerekli kılar. Şekil 133’te gösterilen metot, çubuk uzunluğunu belirlemek için uygun neticeler vermektedir. Üçüncü ve önemli bir dizayn faktörü ise bacağın başarılı olarak eğilebilmesi için uzunluğunun minimum oluşudur. Çoğu durumlarda bacak uzunluğu en az metal kalınlığının 1.5 katı + eğme yarıçapı şeklinde olmalıdır. Mümkün olduğunca eğilmiş parçalar üzerindeki tolerans 0.8 mm’den daha az olmamalıdır.
401
Şekil 133- Operasyonu için ham malzeme boyunu belirleme metodu
Yatırım ve takım maliyetini düşürmek için ekipmanlar, aynı yarıçaplı eğme bir kaç kez uygulanabilecek şekilde dizayn edilmelidir. İmalat sırasında bağlama ve taşıma için uygun kısımlar bırakmayı da dizayn sırasında gözden uzak tutmamak gerekir. Malzemenin kenarına yakın kısımlar eğme ile bozulacaktır. Eğer bozulmamış kenar ve köşeler gerekli ise ilave metale müsaade edilmelidir. Eğmeden sonra temizleme (düzeltme) operasyonu uygulanmalıdır. 12.3-Merdane ile Eğme Plakalar, kalın saclar ve yuvarlak şekiller, şekillendirme merdaneleri üzerinde arzu edilen şekilde eğilebilir. Bunlar genellikle bir piramit şeklinde üç merdane ihtiva ederler. Alttaki iki merdane tahrik ve üst merdane ise eğrilik derecesini kontrol etmek için ayarlanabilir şekildedir. Eğme haddeleri geniş bir boyut aralığında ve 150 mm’ye kadar plakaları eğebilir. 12.4-Çekme ve Basma ile Eğme Bir çok modern eğme makinalarında, yaklaşık bir blok formunda eğme meydana getirmek için bağlama ve baskı takımı kullanılır. Çekme eğmesi (Şekil 134) belki en doğru ve hassas eğme vasıtasıdır. İş parçası bir eğme takımına karşı sıkıştırılır. Bir baskı takımı da karşısındaki iş parçasını çekmek üzere döner. Sıkıştırma eğmesinde eğme takımı sabit kalır ve basınç takımı eğmeyi gerçekleştirmek üzere karşısında hareket eder.
Şekil 134- a)Form bloğunu döndürerek çekme ile eğme b)Hareketli bir takımın iş parçasını sabit eğme kalıbına bastırması ile eğme
402 13-METAL İŞLEMEDE TAKIM VE KALIP HATALARI Metal şekillendirme operasyonlarında takım ve kalıpların zarar görmesine aşağıdaki sebeplerin biri veya daha fazlası sebep olabilir. A-Dizayn: Kalıp dizaynı sadece uygun takım ve kalıp malzemesi seçimini kapsamaz aynı zamanda boyutları da ihtiva eder. Proseste kuvvetlere dayanabilmek için kalıp uygun kesit alanına ve boşluğa sahip olmalıdır. Keskin köşeler, geçişler ve birleşme yerleri ve kesitte ani değişmeler kalıp ömrünü uzatmak etkisine sahip olabilir. B-Isıl İşlem: Yükselmiş sertlik, aşınma direnci ve mukavemet elde etmek için takım ve kalıplara genellikle ısıl işlem uygulanır. Uygun olmayan ısıl işlem kusurun en yaygın sebeplerinden biridir. Kalıp yüzeylerinin şartları ve bileşimi özellikle önemlidir. Böylece ısıl işlem için uygun sıcaklık seçimi soğutma ortamı, soğutma pratiği, temperleme tarzı ve taşıma önemlidir. C-Bitirme Operasyonları: Isıl işlemden sonra takımlar ve kalıplar arzu edilen yüzey kalitesi ve boyutsal hassasiyet sağlamak için taşlamaya veya kimyasal ve elektriki işleme proseslerine tabi tutulur. Taşlama prosesi, düzenli olarak kontrol edilmiyorsa, aşırı ısı yüzünden kalıp yüzeyinde hataya sebep olabilir. Çekme iç gerilmeleri de oluşabilir. Böylece yorulma ömrü etkilenir. Yüzeydeki çizikler gerilme kaynağı olarak davranır. Elektrik deşarj işleme gibi yaygın kullanılan prosesler dikkatli kontrol edilmedikçe yüzey hataları ve çatlaklarına sebep olur. D- Taşıma ve Kullanma: Düzenli taşıma ve yerleştirme önemlidir. Takım ve kalıpların aşırı yüklenmesi vaktinden önce bozulmaya sebep olabilir. Karbürler, seramikler, elmas gibi takım ve kalıp malzemeleri, sertlikleri ile aşınmaya iyi direnç göstermesine rağmen darbe kuvvetleri veya termal farklılıklar yüzünden çatlamaya ve ufalanmaya müsaittirler. Yüzey hazırlama ve bitirme operasyonu bu yüzden önemlidir. Hatta metal işleme sıvısı ve yeni yağlayıcılar, tungsten karbür takım ve kalıplarda kobalt bağlayıcının çözülmesine sebep olabilir. Sıvı içindeki sülfür ve klor takım ve kalıp malzemeleri üzerinde aksi tesire sahip olabilir. Takım ve kalıpların yıpranması, çatlakların başlaması ve ilerlemesi ile meydana gelir. Netice olarak takım ve kalıp malzemesinin kırılma tokluğunun anlaşılması esastır. Mevcut olan önemli faktörler arasında takım ve kalıp malzemelerinin imalat ve işletme durumu, akış ve inkilüzyonların yönlenme tipi, ısıl işlem, yüzey kalitesi, yükleme tipi ve gerilme durumu sayılabilir.
403
Özet olarak; 1-Hacim şekillendirme prosesinde, iş parçaları boyutları büyük oranda değişikliğe maruzdur. Plakalar, saclar, dövmeler, çubuk, tel ve ekstrüze edilmiş şekiller gibi kütle deformasyon prosesi ürünleri ileriki safhalarda değişik metotlarla işlenebilirler. 2-Yüksek basınç altındaki kalıp ile malzemeler temasta olduklarından kalıbın hacim özellikleri, iş parçası malzemesinin yüzey özellikleri kadar önemlidir. Özellikle yüksek sıcaklıklar söz konusu ise şekil değiştirme oranı iyi olan malzemenin pekleşme kapasitesi de önemlidir. 3-Temel kütle deformasyon prosesleri dövme, haddeleme, ekstrüzyon, çubuk ve tel çekmedir. Bu operasyonlarda önemli faktörler operasyonu yürütmek için gerekli kuvvetler, malzemenin işlenebilirliği, mamülün nihai özellikleri, yüzey karakteristikleri, proses sırasında önlenemeyen hatalar, takım ve kalıp malzemelerinin seçimi ve yağlamadır. 4-Diğer metal işleme operasyonlarındaki gibi, kütle deformasyon proseslerinde önemli proses parametreleri iş parçası sıcaklığı, deformasyon oranı, her pasoda daralma ve kalıp-iş parçası arayüzeyindeki sürtünme şartlarıdır. 5-Mümkün olduğu kadar yüksek bir sıkıştırma ortamında işlenecek malzeme için hatalar ve yüzey çatlaklarından korunmak arzu edilir. İş parçasında plastik bölgenin derinliğini etkilediğinden deformasyon geometrisi önemlidir. Bu geometri uygun kalıp dizaynı ve proses parametreleriyle kontrol edilebilir.
404 FAYDALANILAN KAYNAKLAR 1- Kalpakjian S., “Manufacturing Processes for Engineering Materials”, Addison - Weasley Publish. Co., 1985 2- De Garmo P., Temple B., Kohser R.A., “Materials and Processes in Manufacturing”, Macmillan Publ. Co., 1984 3- Karamış M.B., “Sıvı Metalin Kalıp Boşluğuna Girişinin Kontrolü ve Buna Bağlı Döküm Hatalarının Önlenmesi”, 1. Ulusal Üniversite Sanayi İşbirliği Sempozyumu, 14-16 Kasım 1985, Kayseri 4- Karamış M.B., Odabaş D., Karabulut Y., “Turboşarj Türbin Kanatçığının Hassas Döküm Yöntemiyle İmalatı”, Metalürji Dergisi, Sayı 85, 1993, s. 20-27 5- Uzmay İ., Karamış M.B., “Motorlu Taşıtlarda Döküm Malzemelerinin Çeşitli Yönlerden İncelenmesi”, Motor ve Taşıt Sanayi Kongresi, 19-2 1 Kasım 1984, İ.T.Ü., İstanbul 6- Karamış M.B., “Makine Mühendisliğine Giriş Ders Notları”, Erciyes Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Ders Notları, 1998 7- Taksan A.Ş.’nin ilgili atölyeleri ve ilgililerle yapılan özel görüşmeler 8- Flemings C., Çev: Başaran M., “Döküm ve Katılaştırma Tekniği”, İ.T.Ü. Matbaası, 1976 9- Avcı A.U., “Dökümde Bitirme İşlemleri”, Fatih Gençlik Vakfı Matbaası, İstanbul, 1985 10-2. Döküm Sempozyumu Bildiriler Kitabı, T.M.M.O.B., Yayın No: 34, 1996 11-Little R.L., “Metal Working Technology”, Mc-Graw-Hill Book Comp., 1977 12-Lange K., “Handbook of Metal Forming”, Mc-Graw- Hill Book Comp., 1985 13-Anık S., “Kaynak Teknolojisi El Kitabı”, Engör Matbaası, İstanbul, 1983 14-Anık S.ve Vural V., “1000 Soruda Kaynak Teknolojisi El Kitabı”, Birsen Yayınevi, İstanbul, 1993 15-Anık S., Tülbentçi K., Erdinç K., “Örtülü Elektrot ile Ark Kaynağı”, Gedik Holding, 1991 16-Tülbentçi K., “MIG-MAG Ergiyen Elektrot ile Gazaltı Kaynağı”, Gedik Holding Yayınları, İstanbul, 1990 17-Anık S., Tülbentçi K., Özgöktuğ T., “Soru ve Cevaplarla Kaynak Teknolojisi”, Eğitim Yayınları, İstanbul, 1976 18-Ersümer A, Demir dökümü, Birsen Kitapevi Yayınları, İstanbul, 1980 19-M. Sağışman, N. Gültekin, “ Genel İmal Usülleri Ders Notları” İ.D.M.M Akademisi, 1972
