OTEKON 2014
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26-27 Mayıs 2014, BURSA
OTOMOTİV ENDÜSTRİSİNDE SICAK ŞEKİLLENDİRME
UYGULAMALARI: KALIP TASARIMI VE OPTİMİZASYON
Ferdi Eşiyok****, İdris Karen***, Ahmet S. Önal****, Gökhan Sevilgen*, Necmettin
Kaya**, Ferruh Öztürk*
*Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Otomotiv Mühendisliği Bölümü, Bursa
**Uludağ Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Bursa
***Orhangazi Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Bursa
****Beyçelik Gestamp, Demirtaş Organize Sanayi Bölgesi, Bursa
ÖZET
Sıcak şekillendirme teknolojisi ultra yüksek dayanımlı çeliklerin şekillendirilmesinde kullanılan alternatif
yöntemlerdendir. Yöntem kısaca metalin ısıtılıp bu sıcaklıkta belirli bir süre bekletildikten sonra kalıba transfer edilip
kalıp içerisinde şekillendirilip soğutulması adımlarından oluşmaktadır. Son yıllarda, otomotiv endüstrisinde araç
güvenliğini artırmak, araç ağırlıklarını ve emisyonları azaltmak, yakıttan tasarruf sağlamak, küresel pazarlarda
rekabet edebilmek ve ilgili regulasyonlara uyumlu araçlar üretebilmek için araçlarda sıcak şekillendirme ile üretilmiş
parçaların kullanımının artarak yaygınlaştıkları görülmektedir. Bu bildiride sıcak şekillendirme uygulamaları ile ilgili
literatür araştırması, uygulanan yaklaşımlar ve bilgisayar destekli sıcak şekillendirme kalıp tasarımı ile ilgili
açıklamalar verilmiştir. Bu çalışmada önerilen optimum kalıp tasarım ve simülasyon yaklaşımı endüstriyel sıcak
şekillendirme kalıp tasarım uygulamalarında kullanılmak için işletmenin üretim sürecine entegre edilecektir.
Anahtar kelimeler: Sıcak şekillendirme, kalıp tasarımı, otomotiv endüstrisi
HOT-FORMING APPLICATIONS IN THE AUTOMOTIVE INDUSTRY : DIE
DESIGN AND OPTIMIZATION
ABSTRACT
Hot forming is an alternative production method for forming of ultra high strength sheet metals. It contains
heating the sheet metal and directly transfer to the die which contains through the cooling and quenching
steps. Today, there is an increasing trend to use hot forming process to manufacture the vehicle parts due
to body structure regarding vehicle safety and emission requirements. The aim of this study is to examine hot
forming applications in literature and to give information about simulation and design of hot forming dies and to
present an approach for the hot forming die design process. The proposed algorithm will be used for industrial
applications of hot forming die design and it will be integrated into the production process for design and
manufacture of hot forming dies in the factory.
Keywords: Hot-Forming, die design, automotive industry
1. GİRİŞ
Otomotiv endüstrisinde araç ağırlıklarının azaltılması,
Bütünleşik bir çözüm ortamının olmaması durumunda
çarpışma performansının iyileştirilmesi, yakıt tüketiminin
mümkün olan basitleştirmeler ve süreç ayrıştırılarak ta
ve emisyon değerlerinin azaltılması için yeni malzemeler
simülasyon çalışmaları yapılmaktadır.
ve prosesler geliştirilmekte ve kullanılmaktadır. Sıcak
şekillendirme
teknolojisi
ultra
Son yıllarda araç çarpışma etkilerinin ve şekil verme
şekil
yüksek
dayanımlı
kullanılan
alternatif
azaltılmasında ve ağırlık azaltılmalarında kullanılan sıcak
yöntemlerdendir. Yöntem kısaca metalin ısıtılıp bu
şekil verme ile üretilmiş parçalarda elde edilen üç önemli
sıcaklıkta belirli bir süre bekletildikten sonra kalıba
özellik; Kolay şekil
transfer edilip kalıp içerisinde soğutulup şekillendirilmesi
değerleri elde edebilme ve Geri yaylanma sorunlarında
adımlarından
otomotiv
iyileştirmedir. Bu nedenle otomotiv üreticileri yeni araç
endüstrisinde araç güvenliğini artırmak, araç ağırlıklarını
tasarımlarında artan oranda sıcak şekillendirme prosesi
ve emisyonları azaltmak, yakıttan tasarruf sağlamak,
ile üretilmiş parçaları çarpışma ve yakıt tüketimi
küresel
ilgili
performanslarının iyileştirilmesi için kullanmaktadır. Bu
regülasyonlara uyumlu araçlar üretebilmek için araçlarda
bildiride araç sac metal parçaların sıcak şekillendirilmesi
sıcak şekillendirme ile üretilmiş parçaların kullanımının
için kullanılan kalıpların tasarımı, simülasyonu ve
artarak yaygınlaştığı görülmektedir. Sıcak şekillendirme
optimizasyonu ile ilgili BEYÇELİK GESTAMP ile
prosesi
birlikte
şekillendirilmesinde
çeliklerin
oluşmaktadır.
pazarlarda
ile
metal
Son
rekabet
parçalarda
yıllarda,
edebilmek
yüksek
ve
mukavemet
işleminde
geometrik
yürütülen
anlamda
bozulmaların
verebilme, Yüksek mukavemet
SANTEZ
projesi
çalışmaları
değerlerine erişilebilmekte ve araçlarda ağırlık azaltılması
kapsamında literatür çalışmaları ve ilk 2D simülasyon
hedefleri
sıcak
çalışmaları verilmiştir. Bu araştırmanın amacı termo-
şekillendirme prosesi ile üretilen metal elamanlar
mekanik proses özelliklerini dikkate alarak sıcak şekil
araçlarda son yıllarda giderek artan oranda kullanılmaya
verme ile üretilen parçaların istenen özelliklerde şekil
başlamıştır [1-25].
verilebilmesi, sürecin zaman aralığının iyileştirilmesi için
sağlanabilmektedir.
Bu
nedenle
Sıcak şekil verme prosesi metalürjik, termal ve
endüstriyel kalıp tasarımlarında kullanılan soğutma
mekanik etkilerin birlikte ele alınması gereken oldukça
kanallarının optimum tasarımıdır. Sıcak şekillendirme
karmaşık bir süreçtir ve simülasyonu diğer metal şekil
sürecinde metalin ısıtılıp bu sıcaklıkta belirli bir süre
verme işlemlerine göre çok daha fazla hesapsal ve
bekletildikten sonra kalıba transfer edilip kalıp içerisinde
matematiksel süreç modeli tanımlamaları açısından
şekillendirilip
zorluklar içermektedir. Sıcak şekil verme prosesinde
malzemenin
malzemenin doğrusal olmayan, elasto plastik ve termal-
olmaktadır.
mekanik davranışının getirdiği matematiksel model
soğutulmasında
termo-mekanik
soğutma
davranışında
kanalları
etkili
Önerilen sıcak şekillendirme kalıp tasarım yaklaşımı,
belirleme
3D şekillendirme süreci termo-mekanik simülasyonlar ve
konularında yetersizlikler nedeni ile sonlu elemanlar (SE)
kanalların optimum tasarımı için optimizasyon teknikleri
ile yapılacak simülasyonlar önem taşımaktadır. Sıcak
ile bütünleşik bir yapıda tamamlandıktan ve doğrulama
şekil verme prosesinin modellenebilmesi ve optimizasyon
işlemleri yapıldıktan sonra otomotiv sektörü için parça
işlemleri için yapısal mekanik, faz değişimleri, ısı
üreten
transferi,
sürecine entegre edilecektir.
tanımlama
ve
proses
akışkanlar
parametrelerini
mekaniği
hesaplamaları,
optimizasyon tekniklerini içeren bütünleşik bir ortam ve
donanım gerekmektedir.
BEYÇELİK
GESTAMP
firmasının
üretim
Sıcak
2. LİTERATÜR ARAŞTIRMASI
Son
yıllarda
araç
güvenlik
özelliklerinin
şekil
karmaşık
verme
yapısı
prosesi
nedeni
avantajları
ile
yanında
matematiksel
geliştirilmesine ve yakıt tüketiminin azaltılmasına
modellenmesi ve simülasyonu açısından zorluklar
yönelik güvenlik özelliklerinin artırılması yanında
içermektedir. Bu nedenle çok sayıda araştırmacı bu
araç ağırlığının azaltılması için araç yapısında sıcak
konuda
şekillendirmesi
dayanımlı
literatürde yayınlamaktadır [1-25]. Karmaşık yapıya
özelliklerde malzemeler (ultra-high-strength steels-
sebep olan termal, mekanik ve metalürjik özelliklerin
UHSS) kullanılmaktadır [3,19]. Araç gövde yan
bir arada alınması gereken süreçte malzeme ve termal
destek parçaları, taşıyıcılar, takviye parçaları, arka ve
mekanik süreçte çeşitli parametrelerden etkilenmekte,
ön tampon araçta güvenlik performansının artırılması
istenilen
ve ağırlık azaltılması için sıcak şekil verme ile
zorluklarla karşılaşılabilmektedir. Sıcak şekillendirme
üretilen parçalardan bazılarıdır (Şekil 1).
süreci bu nedenle araştırma çalışmalarının devam
ile
üretilmiş
yüksek
çalışmaya
başlamış
sonuçları
elde
çalışmalarını
ve
edebilmek
açısından
ettiği bir alandır. Literatürde özellikle son yıllarda
sıcak şekil verme alanında yapılan çalışma sayılarında
artma olduğu görülmektedir. Sıcak şekil verme süreci
basit olarak Şekil 3’ de şematik olarak verilmiştir.
Isıtma
Transfer
Pres
Şekil 1. Araçta kullanılan sıcak şekil verme ile
üretilmiş parçalardan bazıları [19]
Şekil 1’ de araçta kullanılan sıcak şekil verme ile
üretilmiş parçalar gösterilmiştir. Bu parçalardan araç
yan kapı bölgesinde yer alan B-Direk sıcak şekil
Şekil 3. Sıcak şekil verme adımları [3]
verme ile üretilmiş araç yan güvenlik elemanları ile
ilgili bir parçadır (Şekil 2).
Sıcak şekillendirme ile ilgili kalıpların soğutulması,
soğutma kanallarının tasarımı ve sonlu elemanlar
modellenmesi konularını içeren literatürde çeşitli
çalışmalar yer almaktadır. Metallere şekil verme ve
sıcak
şekil
verme
ile
ilgili
çalışmaların
değerlendirilmesinin yapıldığı literatür araştırması
yayınlarında bu alanda yapılan çalışmalarda elde
edilen sonuçlar ve yapılması gereken yeni çalışmalar
ile ilgili öneriler yer almaktadır [18-23]. Literatürde
yer alan yayınlarda kullanılan
örnek
parçalar
genellikle U formundadır. Kullanılan yazılımlar ise
Şekil 2. B-Direk sıcak şekil verme [3]
genelde
PAMSTAMP,
LS-Dyna,
AUTOFORM,
ABAQUS ve ANSYS Fluent yazılımlarıdır [1-25].
Soğutma sıvısı olarak genellikle suyun kullanıldığı ve
optimizasyon çalışmalarında genellikle soğutma kanal
çapları, aralarındaki mesafeler ve kalıp yüzeyine olan
çalışması
mesafeleri
olarak
şekillendirme için yatay ve düşey yüzlerdeki ısıl
minimum
iletkenlik katsayıları hem şekillendirme hem de
optimizasyon
alınmıştır.
Amaç
parametreleri
fonksiyonu
olarak
ile
ilgilidir.
U
formundaki
sıcak
soğutma zamanı seçilmiştir. Proje çalışması ile ilgili
soğuma
olan özellikle soğutma kanalları optimizasyonu ve
hesaplanmıştır. Soğuma sürecinde ısıl iletkenlik
sürecin analizlerine yönelik bazı yayınlar özet
katsayısının düşey yüzeylere göre yatay yüzeylerde 3
şeklinde aşağıda verilmiştir.
kat fazla olduğu görülmüştür.
süreci
için
analitik
modellenerek
Steinbeiss ve ark. [1] geliştirdikleri yöntem ile
Lei ve ark. [4], kare kap şeklindeki parçanın sıcak
kalıp soğutma kanallarını sistematik olarak optimize
şekillendirme prosesini sayısal ve deneysel olarak
etmişlerdir. Optimizasyon algoritması olarak evrimsel
incelemişlerdir. Punch kalıbı üzerinde çalışılmış, pot
algoritma
olan
çemberi kuvveti, tutma süresi ve soğutma suyu hızı
mesafeleri için 10 ve 15 mm alınmış kanal çapları
parametrelerinin soğutma sürecine etkileri CFX
içinde 8,12 ve 16 mm seçilerek amaç fonksiyonu
yazılımı ve deneysel olarak incelenmiştir.
kullanılmış,
kanalların
yüzeye
olarak seçilen soğuma zamanının minimizasyonu
Sun ve ark. [5], elastik ve rijit kalıp modelleri
hedeflenmiştir. 10 çevrimlik termal sonlu elemanlar
kullanılarak proses parametrelerini sac parça sıcaklığı
analizleri
sonuçlar
üzerindeki etkilerini incelemişlerdir. Temas basıncı ve
değerlendirilmiştir. Küçük kanal çapları ile soğutma
boşuk değerinin fonksiyonu olarak ısı transferi katsayısı
gerçekleştirilmiş
o
ve
o
zamanı 850 C’den 170 C’ye 19.2 saniyede, büyük
değişimi modellenmiştir. Ayrıca testler ile de modeller
kanal
doğrulanmıştır. Elastik kalıp modelinin sac parçanın
çapları
ile
ise
20.1
saniyede
erişildiği
hesaplanmıştır. Kalıplardaki en sıcak bölgelerin
sıcaklık
konveks bölgeler olduğu bu bu bölgelere küçük
sonuçlar verdiği belirlenmiştir. Soğutma
soğutma kanalları açılabileceği sonucuna varılmıştır.
sıcak şekillendirmeye etkisinin modellenmesi için de
Hoffmann ve Steinbeiss [2], yaptıkları benzer
değişiminin
modellenmesinde
daha
doğru
kanallarının
elastik kalıp modelinin kullanılması tavsiye edilmiştir.
çalışmada soğutma kanallarını optimize etmişlerdir.
Li ve ark. [6], Abaqus/Explicit ve Ls-dyna arasında
Isı transfer katsayısının basınca ve boşluğa bağlı
etkileşimli sayısal model kullanarak sıcak şekillendirme
olduğunu,
çalışmada
bu
basınca
bağlı
değer
2
prosesini modellemişlerdir. Kalıplar üzerindeki sıcaklık
kullanılmadığını, ancak boşluk için 5000 W/m K
dağılımları ve geri yaylanma etkisi incelenmiş ve
olarak alındığını belirtmişlerdir. Kalıp ve sac parça
deneysel
katı elemanlar ile modellenmiş, sonlu elemanlar
gerçekleştirilmiştir. Kalıbın (punch) konveks bölgelerinde
modeli Abaqus/explicit yazılımı ile çözdürülmüştür.
soğuma sonrası yüksek sıcaklıklar elde edilmiştir.
o
o
C’ye 40 C/s hızı ile soğutulmuş olup hedeflenen
o
ile
de
doğrulama
çalışması
Ying ve Zhong-de [7], sıcak şekillendirme kalıp
Analizlerde sac parçanın sıcaklığı 850 C’den 170
o
çalışmalar
soğutma sürecinde soğutma kanal çaplarının, aralarındaki
değerin (40 C/s) üzerinde elde edilmiştir. Konveks
mesafelerin ve kalıp yüzeyine olan mesafelerinin sac
kalıp
soğutma
parçanın içyapısını en fazla etkileyen parametreler
yakalamayı
olduğunu belirtmişlerdir. Pamstamp yazılımı ile model
bölgelerinde
kanallarının
küçük
uygun
ancak
soğutma
sık
hızını
mümkün kıldığı belirtilmiştir.
Abdulhay
ve
ark.
[3],
kurularak sonuçlar deneysel çalışma ile de doğrulanmıştır.
sıcak
şekillendirme
Zamana bağlı sıcaklık değişiminden soğuma hızının 30
prosesinde ısıl iletkenlik katsayısının basınca bağlı
o
olarak
analizinden martenzitik yapıda olduğu belirlenmiştir.
değişiminin
modellenmesi
ve
deneysel
C/s olduğu ve şekillendirilmiş sac parçanın mikroyapı
Liu ve Xing [8], Abaqus/CFD yazılımı ile kalıp
soğutma sistemi için bir yöntem önermişlerdir. Mekanik
ve sayıları ele alınmaktadır [7,23].
oluşturularak şekillendirme
Literatürde optimizasyon çalışması ile ilgili yayın
sürecindeki sıcaklık değişimi modellenmiştir. Ayrıca
sayısı az olmakla beraber çeşitli konuları ele alan sıcak
soğutma kanallarının imalat süreci de incelenmiştir. Kare
şekillendirme ile ilgili birçok çalışma yer almaktadır.
şekilli parça ve B-Pillar parçası için soğutma sistemi
İncelenen çalışmalar içeriği çok geniş bir çalışma alanını
optimize
çapları,
kapsamaktadır. Çalışmalardaki her bir detay değişken
uzaklıkları
olarak kabul edilebilir ve her bir değişken çıkan parçanın
ve
ısı transfer
konumları, çapları, kanallar arasında yer alan mesafeler
modeli
edilmiştir.
aralarındaki
Soğutma
mesafeler
ve
kanallarının
yüzeye
olan
optimizasyon parametreleri olarak seçilmiştir.
mekanik özelliklerine etkilemektedir. Sonuç olarak,
Aziz ve Aqida [9], sıcak şekillendirme proses
çalışma alanları aşağıda verilen şekilde tanımlanabilir;
parametrelerinin sac parçanın mekanik özelliklerine etkisi
• Sac malzeme; Malzeme türü, sac kalınlığı
incelenmiştir. Soğutma suyu sıcaklığı, pres baskı süresi su
• Sac kaplaması; Kaplama kalınlığı, kaplama türü
akış hızı parametre olarak seçilmiş, soğutma ortamının (su
• Fırın prosesi; Tutma süresi, fırın sıcaklığı, atmosfer,
veya hava) mekanik özelliklere en etkili parametre olduğu
fırın çıkış sıcaklığı
• Transfer süresi; Fırın çıkış süresi, merkezleme ünitesi,
belirtilmiştir.
Xing ve ark. [10], Abaqus yazılımı ile sıcak
taşıma süresi, atmosfer sıcaklığı , kalıba giriş sıcaklığı
şekillendirme prosesi ve geri yaylanma miktarının
• Sıcaklık; Fırın sıcaklığı, Sacın fırından çıkış sıcaklığı,
belirlenmesi için modelleme yapmışlardır. Sonuçlara göre
sacın kalıba giriş sıcaklığı, sacın kalıptan çıkış
pot çemberi kuvvetinin azaltılması ve punch ve kalıp
sıcaklığı
arasındaki boşluğun artması ile geri yaylanmanın arttığı
belirlenmiştir.
• Süre, Fırında tutma süresi, taşıma süresi, soğutma
süresi
H. Karbasian, A.E. Tekkaya [18] sıcak şekillendirme
• Pres özellikler; Pres deformasyon hızı, pres tonajı
ile ilgili süreç ve analizleri değerlendiren, literatürde yer
• Akışkan özellikleri; Akışkan hızı, debisi, akışkan cinsi
alan çalışmaların verildiği bir literatür araştırması
• Akış türü; Laminer akış, türbülanslı akış
yayınlamışlardır.
• Kalıp malzemesi; Malzemenin cinsi, ısı iletim
Sayısal simülasyon modelleri ve model doğrulama
çalışmaları sürecin optimizasyonu açısından kalıbın ilk
tasarım aşamasında
yapılması
gerekmektedir.
takdirde
sonradan
yapılan
optimizasyon
istenilen
sonuçları
vermeyecektir.
Sonlu
Aksi
çalışması
elemanlar
kullanımı ve deneysel çalışmalar konusunda çeşitli
çalışmalar yapılmıştır. Sayısal simülasyon analizlerinin
deneysel çalışma ile doğrulanması ile ilgili çalışmalar
katsayısı, malzeme kaplaması
• Tasarım türü; Shell design, deep drilling, omega
design
• Analiz programı; LS-Dyna, Autoform, Pam-Stamp
• Çoklu çalışmalar ; Soft-zone, TWB (Tailor welded
blanks), TRB (Tailor rolled blanks)
• Testler-deneyler; Çekme testi, mikroyapı inceleme,
sertlik ölçme, termal kamera ölçümü.
literatürde yer almaktadır [22, 16,19,20,22].
Model ve süreç karmaşıklığı nedeni ile çeşitli
parametrelerin süreç üzerinde etkilerinin incelenmesi için
de
literatürde
çalışmalar
yer
almıştır
[13-15,21].
Optimizasyon çalışmalarında genelde soğuma kanalları,
3. SİMULASYON ÇALIŞMALARI
Giriş bölümünde belirtildiği gibi sıcak şekil verme
prosesi metalürjik, termal ve mekanik etkilerin birlikte
ele alınması gereken bir süreçtir, bu nedenle oldukça
karmaşık bir süreçtir ve simülasyonu diğer metal şekil
verme işlemlerine göre çok daha fazla hesapsal ve
matematiksel süreç modeli tanımlamaları açısından
zorluklar içermektedir. Bunun nedeni sıcak şekil verme
prosesinde malzemenin lineer olmayan, elasto plastik ve
termal-mekanik
davranışının
getirdiği
matematiksel
model tanımlama ve proses parametrelerini belirleme
konularında yetersizliklerdir. Bu nedenle sonlu elemanlar
yöntemi
prosesin
analizlerinde
model
tanımlamalarında
kullanılmakta
ve
ve
yetersizliklerin
giderilmesine yönelik kodlar geliştirilmektedir. Bu alanda
sıkça
kullanılan
yazılmalardan
bazıları
LS-Dyna,
PAMSTAMP, AUTOFORM, ABAQUS ve ANSYS
Fluent’ dir. CFD simülasyonları termal etkinin parça ve
kalıp
üzerindeki
etkisinin
belirlenmesi
için
kullanılmaktadır. Parça ve kalıp üzerindeki sıcaklık
dağılımının çalışıldığı bir CFD uygulaması Şekil 4’ te
verilmiştir.
modellenmiştir. Böylece modeldeki soğutma süreci
parametrelerin
sonuçların
hızlı
değişimi
bir
şekilde
gerçekleştirilerek
elde
edilmesi
amaçlanmıştır. Sonraki çalışmalarda ise üç boyutlu
model
üzerinde
soğutma
kanallarındaki
akış
parametreleri, temas tanımı, basıncın ısı transferine
etkisi vb. modellenerek deneysel çalışmalar ile
modelin doğrulanması ve son olarak çevrim süresini
düşürmek ve iç yapının martenzitik olması için
optimizasyon modeli kurularak soğutma sistemi
kanal sayısı, kanal çapları ve kalıp yüzeyine olan
mesafelerinin optimum değerleri bulunacaktır.
1.Model: Abaqus yazılımında iki boyutlu örnek
bir model üzerinde kalıplar ve sac parça
modellenmiş ve şekil 5’de gösterilmiştir.
Soğutma
kanalları
Üst Kalıp
Sac Parça
Alt Kalıp
Şekil 5. İki boyutlu model
Kalıp boyutları: Lx=500 mm x Ly=400 mm, soğutma
kanal çapı: 20 mm ve sac kalınlığı=5 mm olarak
jenerik bir model oluşturulmuştur.
2.Sonlu Elemanlar Modeli
Şekil 4. CFD simulasyon çalışmaları [26]
Sıcak şekillendirme prosesinin sonlu elemanlar
modelinin kurulması için öncelikle iki boyutlu ve
temas içermeyen model kurulması ve geçici rejimde
ısı
transferi
analizi
ile
soğuma
süreci
İki boyutlu model sonlu elemanlara ayrılarak toplam
düğüm noktası: 8171, toplam eleman sayısı: 7832
doğrusal quad eleman (DC2D4) kullanılmıştır.
Eleman dağılımı şekil 6’da verilmiştir.
saniye için çözülmüş ve aşağıdaki sonuçlar elde
edilmiştir.
6.Sonuçlar: Analiz sonucu model üzerinde 0, 5,
10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80 ve 90.
saniyelerdeki sıcaklık dağılımları elde edilmiş
Şekil 6. Sonlu elemanlar modeli ve eleman dağılımı
3.Malzeme tanımları
Kalıp ve sac parça malzeme için parametre
değerleri
yapılmıştır.
girilerek
malzeme
ve sac parçanın orta noktasındaki sıcaklık
değişim grafiği aşağıda verilmiştir (Şekil 8 ve
9).
tanımları
4.Sınır şartları
Model
üzerinde,
geçici
rejimde
ısı
transferi
(transient heat transfer) analizi yapılarak zamana
bağlı sıcaklık değişimleri elde edilmiştir. Analiz
sürecinde,
soğutma
değişmediği kabul
kanallarındaki
sıcaklığın
Şekil 8. Başlangıçtaki sıcaklık dağılımı
edilerek uygun sınır şartı
tanımlanmış ve analizde sadece iletimle olan ısı
transferi dikkate alınmıştır (Şekil 7).
B a ş l a ngıç ş a
rtl a rı:
Sac parça sıcaklığı=800 oC, kalıp sıcaklığı=20 oC,
soğutma kanalları sıcaklığı=6 oC
20 oC
Üst Kalıp
800
o
6C
Üst Kalıp
Üst Kalıp
o
20 C
Üst Kalıp
Şekil 7. Sonlu elemanlar modeli sınır şartları
5.Çözüm: Sonlu elemanlar modeli “transient
heat transfer” çözüm yöntemi kullanılarak 90
Şekil 9. Sac parça üzerinde sıcaklık değişimi
Sac parçanın orta noktası için 800 oC’den 200 oC’ye
sıcaklık düşüşü analiz edilmiştir. Ancak modelde
sac parçanın kalıplara mükemmel temas ettiği
kabul edilmiş ve basınca bağlı ısıl iletkenlik
değişimi
kullanılmamıştır.
Analiz
süresinde
soğutma kanal sıcaklığı da sabit alınmıştır. Üç
boyutlu modelde soğutma kanallarındaki akış da
modellenerek daha doğru bir model oluşturulup
optimizasyon işlemi doğrulanmış model üzerinde
gerçekleştirilecektir.
Bu yayında ilk deneme simülasyonları olarak
yapılan çalışmalar ve elde edilen sonuçlar 2D ve 3D
olarak özet şeklinde verilmiştir. 3D doğrulanmış ve
edilebilir. Dolayısıyla bu süreçte etkili olan parametreler
endüstriyel uygulamaya yönelik parametrelerin ele
aşağıda belirtilmiştir.
alındığı optimizasyon içeren çalışmalar daha sonra
• Temas yüzeyinde toplam iletim ile olan ısı transfer
yapılacak yayınlarda verilecektir.
katsayısı
Sıcak şekillendirme sürecinin son aşaması olan su
• Şekillendirme kuvveti ve basıncı
verme işlemi için Hesaplamalı Akışkan Dinamiği metodu
• Isıl temas direnci.
kullanılarak sayısal benzetimler gerçekleştirilmiştir. Bu
Form verme süreci yaklaşık 1s gibi kısa bir zaman
amaçla öncelikle üretimi devam eden bir parçanın kesiti
diliminde
alınarak elde edilen model üzerinde soğutma benzetimi
şekillendirme süreçlerini kısaltmak ve soğuma verimini
yapılarak, süreç sonunda sac parça üzerinde farklı
arttırmak için süreçler içinde en çok zaman alan ve son
bölgelerde oluşan soğuma hızları ve neticesinde meydana
süreç olan soğutma sürecinde iyileştirmeler yapmak daha
gelen martenzitik yapı oluşumu değerlendirilmiştir (Şekil
elverişlidir.
10).
gerçekleşmektedir.
Dolayısıyla
sıcak
Soğutma sürecinde benzetimler yaparak süreci
Isıtma süreci fırında gerçekleştirilmekte ve yaklaşık
iyileştirmek
amacıyla
gerçekleştirilen
sayısal
900°C ve üzerindeki sıcaklıklara sac parçanın ısıtılması
hesaplamaların
sonucunda malzeme iç yapısında ostenit oluşumu
değerlendirilmesi açısından son derece önemlidir. Bu
sağlanmaktadır. Sac parça malzemesi olarak, endüstriyel
süreçte kullanılan sonlu elemanlar ve sonlu hacimler
uygulamalarda yaygın olarak kullanılan Usibor 1500p
tabanlı paket yazılımlarda genel olarak iki farklı
olarak adlandırılan 22MnB5 malzemesi kullanılmıştır.
yaklaşım
Fırında ısıtılan parça yaklaşık, 6-7 sn gibi kısa bir zaman
kullanılan modeller “Kabuk model” ve “Katı model”
diliminde prese taşınmakta ve bu süreçte sıcaklığı
olarak ifade edilebilir. Bu modeller aşağıdaki şekilde
yaklaşık 800°C’ye düşmektedir. Bu süreçte etkili olan ısı
gösterilmiştir (Şekil 11 ve 12).
transfer
mekanizmaları
taşınım
ve
sonuçlarının
kullanılmaktadır.
doğruluğu
Bu
sürecin
yaklaşımlarda
ışınım
mekanizmalarıdır.
Şekil 11. Kabuk Model
Şekil 10. Kalıp saç parça ve modeli
Şekil verme sürecinde sac parça koç ile ilk teması
Şekil 12. Katı model
sağlandığı andan itibaren etkili olan temas parametreleri
ısı transferini önemli ölçüde etkilemektedir. Bu süreçte
taşınım ve ışınım mekanizmalarının etkisi iletimle olan
ısı transfer
mekanizmasının etkisi
yanında
ihmal
Kabuk model yaklaşımı tabanlı Deform2d, Autoform,
Pam-Stamp gibi yazılımlar ile birlikte katı model
yaklaşımlarının modellenebildiği Ansys Fluent, CFX, Ls-
Dyna gibi yazılımların benzetim sürecinde birlikte
yapılacak yayınlarda verilecektir. Bu çalışmada önerilen
değerlendirilmesi
optimum
gerekmektedir.
Soğutma
sürecinde
kalıp
tasarım
ve
simülasyon
başlangıçta kalıp yüzeyinde alınacak ortalama sıcaklık
endüstriyel
değeri
uygulamalarında kullanılmak için işletmenin üretim
analiz
sonuçlarını
etkileyen
önemli
bir
parametredir. Kalıp temas yüzeyi başlangıç sıcaklığı ilk
sıcak
şekillendirme
yaklaşımı
kalıp
tasarım
sürecine entegre edilecektir
parça ile devam eden parça imalatı süresince artacak ve
belirli bir değerden sonra rejim sıcaklığına ulaşacaktır
TEŞEKKÜR
(Şekil 13).
Bu proje SANTEZ Projesi olarak Bilim, Sanayi ve
Teknoloji Bakanlığı tarafından desteklenmektedir. Projeyi
destekleyen Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı’ na ve
54.6°C
33.21°C
BEYÇELİK GESTAMP’ a teşekkür ederiz.
6°C
17.7°C
KAYNAKLAR
19.6°C
1. Steinbeiss H., So H., Michelitsch T., Hoffmann H.,
2007, Method for optimizing the cooling design of hot
stamping tools, Prod. Eng. Res. Devel. 1:149-155.
Şekil 13. t=5.2s için kalıp temas ara yüzeyi ve diğer
yüzeylerin sıcaklık dağılımı
2. Hoffmann H., So H., Steinbeiss H., 2007, Design of
hot stamping tools with cooling system, Annals of the
Simulasyon süreci karmaşık model yapısı, termal ve
mekanik etkilerin bir arada alınması gereği ve çok amaçlı
oluşu nedeniyle optimizasyon için deneysel tasarım
yaklaşımı kullanılacaktır. Bu çalışmada önerilen optimum
kalıp tasarım ve simülasyon yaklaşımı endüstriyel sıcak
şekillendirme kalıp tasarım uygulamalarında kullanılmak
CIRP, Vol.56/1, 269-272.
3. Abdulhay B., Bourouga B., Dessain C., 2011,
Experimental and theoretical study of thermal aspects
of the hot stamping process, Applied Thermal
Engineering, 31, 674-685.
4. Lei C., Cui J., Xing Z., Fu H., Zhao H. 2012,
Investigation of cooling effect of hot-stamping dies by
için işletmenin üretim sürecine entegre edilerektir
numerical simulation, Physics Procedia, 25,118-124.
5. Sun C., Bai Q., Lin J., Matsumoto T., Dean T.A.,
4. SONUÇ
Bu yayında sıcak şekillendirme uygulamaları ile ilgili
2013, The effect of process and model parameters in
literatür araştırması, uygulanan yaklaşımlar ve bilgisayar
temperature prediction for hot stamping of boron steel,
destekli sıcak şekillendirme kalıp tasarımı
Advances in Mech. Eng, Article ID 829379.
ile ilgili
açıklamalar ve projenin başlangıç çalışmaları verilmiştir.
6. Li Y., Ying L., Hu P., Shi D., Zhao X., dai M., 2013,
Simulasyon süreci karmaşık model yapısı, termal ve
Coupled numerical simulation of hot stamping process
mekanik etkilerin bir arada alınması gereği ve çok amaçlı
and experimental verification, The 11th Internation
oluşu nedeniyle optimizasyon için deneysel tasarım
Conference on Numerical Methods in Industrial
yaklaşımı kullanılacaktır. İlk deneme simülasyonları
Forming Process, 1532, 471-477.
olarak yapılan çalışmalar ve elde edilen sonuçlar 2D ve
7. Ying X., Zhong-de S., 2013, Design parameter
3D olarak özet şeklinde verilmiştir. 3D doğrulanmış ve
investigation of cooling systems for UHSS hot
endüstriyel
stamping dies, Int J Adv Manuf Technol, 70(1-4),
uygulamaya
yönelik
parametrelerin
ele
alındığı optimizasyon içeren çalışmalar daha sonra
257-262.
8. Liu H., Lei C., Xing Z., 2013, Cooling system of hot
stamping
of
quenchable
steel
BR1500HS:
optimization and manufacturing methods, Int J Adv
Manuf Technol, 69:211-223.
Dyna,
7.LS-DYNA, Anwanderforum, Bamberg,
Metallumformung II.
18. H. Karbasian, A.E. Tekkaya, 2010, A review on hot
stamping, Journal of Materials Processing Technology
9. Aziz N., Aqida S.N., 2013, Optimization of quenching
210, 2103–2118.
process in hot press forming of 22MnB5 steel for high
19. A. Paul, 2006, Modelling and Simulation of Hot
strength properties for publication in, IOP Conference
Stamping, Doctoral Thesis, Luleå University of
Series:Materials Science and Engineering Volume 50.
Technology Department of Applied Physics and
10. Xing Z.W., Bao J., Yang Y.Y., 2009, Numerical
simulation of hot stamping of quenchable boron steel,
Material Science and Engineering A, 499, 28-31.
Mechanical
Engineering,
Division
of
Solid
Mechanics, Sweden.
20. Hongsheng L., Jun B., Zhongwen X., Dejin Z., Baoyu
11. Naganathan, A., Penter, L., 2012, Hot Stamping, Sheet
S., and Chengxi L., 2011, Modeling and FE
Metal Forming - Processes and Applications, Editors:
Simulation of Quenchable High Strength Steels Sheet
Altan
Metal Hot Forming Process, Journal of Materials
T.,
A.E.
Tekkaya,
Chapter
7,
ASM
International.
Engineering and Performance, Volume 20(6), 894-
12. B.T.Tang, S.Bruschi, A.Ghiotti, P.F.Bariani, 2013,
902.
Numerical modelling of the tailored tempering process
21. Katsuyoshi I., Jun Y., 2011, Valuation method for
applied to 22MnB5 sheets, Finite Elements in
effects of hot stamping process parameters on product
Analysis and Design, 81, 69–81.
properties using hot forming simülatör, Journal of
13. Li-juan, Z.,
Zheng-wei G.,
Hong X.,
Yi L.,
Materials Processing Technology 211, 1441–1447.
Jiang C., 2014, Modeling of Evolution in 22MnB5
22. P.F. Bariani, S. Bruschi, A. Ghiotti, A. Turetta, 2008,
Steel during Hot Stamping,J. Iron and Steel Research
Testing formability in the hot stamping of HSS, CIRP
Int., 21(2), 197-201.
Annals - Manufacturing Technology 57, 265–268.
14. Etienne J.F.R. Caron, Kyle J. Daun, Mary A. Wells,
2014,
Experimental
heat
transfer
23. Woo-Seung L., Hong-Seok C., Seok-young A. and
coefficient
Byung-Min K., 2014, Cooling channel design of hot
measurements during hot forming die quenching of
stamping tools for uniform high-strength components
boron steel at high
in hot stamping process, Int J Adv Manuf Technol,
temperatures,
International
Journal of Heat and Mass Transfer, 71, 396–404.
70:1189–1203.
15. L.Wei, L.Hong-sheng, X.Zhong-wen, L.Gang, B.Jun,
24. Bryan M., Optimization Side Crash Performance
2012, Effect of tool temperature and punch speed on
Using a Hot-Stamped B-Pillar, Benteler Automotive,
hot stamping of ultra high strength steel, Trans.
Great Designs in Steel Seminer, www.autosteel.org.
Nonferrous Met. Soc. China 22, 534−541.
25. Shapiro A. 2009 LS-DYNA Hot Stamping Process
16. Ye Li, Liang Ying, Ping Hu, Dongyong Shi, Xi Zhao,
and
Minghua
Dai,
2013,
Coupled
numerical
simulation of hot stamping process and experimental
verification, AIP Conference Proceedings 1532, 471.
17. D. Lorenz, A.Haufe, 2008, Recent advances and new
developments in hot forming simulation with Ls-
26. Martin Skrikerud, Mustafa Megahed, Harald Porzner,
2008, Simulation of the hotforming process, ESI
Group.
Download

Otomotiv Sektöründe Sıcak Şekillendirme Uygulamaları