Incremental forming of light weight sheet materials at elevated temperature: An investigation of formability, failure, and output quality of the process

Özetçe: Sac metal şekillendirme, havacılık ve otomotiv endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmakta ve üretim alanının ayrılmaz bir parçasıdır. Günümüzde, son derece rekabetçi olan üretim alanı, daha yüksek düzeyde ürün özelleştirmesi, daha kısa tasarımdan piyasaya sürülme süresi ve daha yüksek üretkenlik talep etmektedir. Çevik imalatın gereksinimleriyle başa çıkmak için yeni sac şekillendirme teknolojisi esnek ve elverişli bir takımlama sistemine sahip olmalıdır. Kademeli Sac Şekillendirme (ISF) yöntemi bilgisayarlı sayısal kontrol (CNC) teknolojisini ve nispeten basit takımlama kullanarak, kalıpsız bir şekillendirme imkanı sunar. Isı destekli ISF, son sac bileşeninin sac şekillendirilebilirliği ve boyutsal doğruluğu açısından umut vaad etmektedir. Küresel ısınma endişeleri nedeniyle, havacılık ve otomotiv endüstrileri artık hafif malzeme ve tasarım ilkelerini uygulamaya teşvik etmektedir. Bu durumda, örneğin otomotiv sektöründe, termoplastik tüketiminde sürekli bir büyümeye yol açmıştır. Son on yılda, araştırmacılar ISF sürecinin mekanizmasını ve çalışma kurallarını anlamak için büyük çaba sarf etmişlerdir. Bu çalışmalar çoğunlukla alüminyum, çelik, titanyum ve magnezyum gibi metalik alaşımları hedef almıştır. Polioksimetilen (POM), ortam sıcaklığında düşük şekillendirilebilirliği nedeniyle, ISF için kullanılan mühendislik polimerleri arasında en az araştırılan termoplastiktir. Bununla birlikte, POM, iyi sürünme ve yorulma dayanıklılığına sahip yarı kristal bir termoplastik olarak bilinir. POM ayrıca kimyasallara, yağa ve yakıt korozyonuna karşı yüksek direnç sunar. Ayrıca POM, iyi bir yüzey kalitesi ve sürtünme direnci kalitesi de sağlamaktadır. Bu tez, Polioksimetilenin Sürtünme Karıştırma Kademeli Levha Şekillendirmesini (FSISF) araştırmaktadır. Bu nedenle kapsamlı deneysel, analitik ve sayısal (FEA) çalışması yapılmştır. Önerilen analitik ve FEA çerçeveleri, hesaplama süresi ve gerekli donanım açısından uygun bir simülasyon maliyeti ile oldukça doğru tahminler sağlayacak şekilde ayarlanmıştır. Deney tasarım (DOE) ve yanıt yüzeyi yöntemleri benimsenerek kapsamlı bir deneysel çalışma yürütülmüştür. Takım boyu, adım boyu, ilerleme hızı ve iş mili hızı gibi proses parametrelerinin proses çıktıları üzerindeki bireysel ve etkileşimli etkileri, şekillendirme kuvveti, temas sıcaklığı, ısıtma hızı ve deformasyon oranı üzerinden tartışılmıştır. Proses parametrelerinin ve zamanın bir fonksiyonu olarak toplam şekillendirme kuvvetini tahmin etmek için ampirik bir model oluşturulmuştur. Ayrıca maksimum kuvvet ve takım ucu sıcaklığı için benzer modeller geliştirilmiştir. Nispeten yüksek sac şekillendirilebilirliği elde edilirken, ısı kaynaklı kusurlardan kaçınılır. Geometrik parametrelerin sac şekillendirilebilirliği üzerindeki etkileri kısaca tartışılmış ve ISF için yeni bir şekillendirilebilirlik kriteri önerilmiştir. POM'un FSISF'sindeki sürtünme deneysel olarak değerlendirilmiştir. Boyutsal bütünlük, kalınlık dağılımı, yüzey kalitesi, malzeme kristalliğinin evrimi, yüzey sertliği ve belirli şekillendirme koşulları altında POM'un elastik modülü ölçülmüş ve tartışılmıştır. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile elde edilen çatlakların morfolojisine dayalı olarak POM'un FSISF'sindeki kırılma hakkında da bir tartışma sunulmaktadır. POM'un FSISF'sinde kuvvet ve temas sıcaklığını verimli bir şekilde tahmin etmek için ortak bir sayısal-analitik yöntem önerilmiştir. Bu amaçla, deformasyon mekanizması ve gerilme-gerinim durumu, esneme-bükülme etkisini içeren bir membran analitik çerçevesine dayalı olarak tanımlanmıştır. Ayrıca, şekillendirme işleminin ilk aşamasında belirgin eğilme etkisi, dairesel bir sacın yanal konsantre yük altında bükülmesi için mevcut bir analitik çerçeve genişletilerek araştırılmıştır. Takım ve sacdaki sürtünme kaynaklı ısı ve sıcaklık dağılımı, Sonlu Fark Metodu (FDM) benimsenerek elde edilmiştir. Takım sayfası temas arayüzünün alanı, iki geometrik yaklaşım önerilerek tahmin edilmiştir. Öngörülen şekillendirme kuvveti ve temas sıcaklığı deneysel ölçümlerle doğrulanmıştır. Sürtünme kaynaklı ısı katsayısı ve meridyonel stres bileşeni, bazı FSISF karşılaştırma ölçütleri için eşdeğer plastik gerinimin bir fonksiyonu olarak sunulmuştur. Plastik şekil değiştirme enerji yoğunluğunun üç eksenliliğe oranı da nihai eşdeğer plastik şekil değiştirmenin bir fonksiyonu olarak sunulmuştur. Buna göre, FSISF sürecindeki sac hatası hakkında kısa bir tartışma da sunulmuştur. Bu tezde uygun bir simülasyon maliyeti ile FSISF sürecinin doğru sonlu eleman analizi modeli oluşturulması amaçlanmaktadır. Bu amaçla, İki Katmanlı Viskoplastik (TLV), Paralel Reolojik Çerçeve (PRF), Üç Ağ (TN) ve Johnson-Cook (JC) gibi malzeme modelleri tartışılmış ve kalibre edilmiştir. En iyi yüzey oluşturma stratejilerini, FSISF araç tanımını, eleman tipini, eleman boyutunu ve kütle ölçeklemeyi belirlemek için bir dizi karşılaştırmalı FEA yürütülmüştür. Takım ve sac arasındaki ısı dağılımı, literatürde mevcut yaklaşık analitik yöntemler üzerinde bir inceleme yapılarak ayrıntılı olarak tartışılmıştır. Kıstas FSISF testleri simülasyon için kabul edilmiştir. Simülasyon vaka çalışmaları, önerilen FEA metodolojisinin kapasitesini göstermek için çok çeşitli sac şekillendirilebilirliği, sıcaklık ve gerilim üç eksenliliğini yansıtmaktadır. Simülasyon sonuçları deneysel ölçümlerle doğrulanır. POM'un FSISF'sindeki hasar gelişimi ve hatası hakkında kısa bir tartışma sunulmuştur.