OTEKON’14
7. Otomotiv Teknolojileri Kongresi
26 – 27 Mayıs 2014, BURSA
OTOMOBİL KAPI BARI PARÇASININ YÜKSEK MUKAVEMETLİ
MALZEMELERDEN ÜRETİMİ VE TEST DEĞERLERİNİN
KARŞILAŞTIRILMASI
Emre Yiğitoğlu*, Mesut Kaya*, Metin Çallı* Dr.Tayfun Sığırtmaç*
Coşkunöz Metal Form A.Ş. Bursa
*
ÖZET
Araç hafifletme çalışmaları, karbon emisyon değerlerinin düşürülmesi amacıyla otomotiv endüstrisinin son
dönem temel hedefleri arasında yer almaktadır. Hafiflik sağlanırken aynı zamanda ürünün emniyet
beklentilerinin de karşılanması gerekmektedir. Bu hedeflere ulaşmak için yürütülen çalışmalar günümüzde
yüksek mukavemetli çeliklerin kullanılması odağında sürdürülmektedir.
Bu çalışmada, otomobil kapısı içerisinde kullanılan kapı barı parçası yüksek mukavemetli malzemelerden
üretilmiştir. Bilgisayar destekli sonlu elemanlar analizi yöntemi ile üç nokta bükme analizleri gerçekleştirilmiş
ve laboratuvar ortamında yapılan testlerle kıyaslamaları yapılarak kullanım avantajları ortaya konmuştur.
Anahtar kelimeler: Yan Kapı Barı, Sonlu Elemanlar Analizi, Yüksek Mukavemetli Çelik Malzemeler,
Martenzitik Çelikler, TWIP çelikleri
ABSTRACT
Automotive Industry recently focuses on studies for light-weight vehicle design in terms of reduction of carbon
emmission levels. In addition to this , developed products must not compromise the safety. In order to meet the
safety requirements, manufacturers have been studying on usage of high strength steels for weight-reduction.
In this study, a side door impact beam has been produced from high strength steel materials. Product has been
analyzed on FEA software. Advantages of the product were revealed by comparing the FEA software results
with experimental test results.
Keywords: Side Door Impact Beam, Finite Element Analysis, High Strength Steels, Martensitic Steels, TWIP
Steels
1. GİRİŞ
Araç kazalarının %19,4’ü yandan çarpma şeklinde
oluşmakta ve bu durum sonucu oluşan ölümcül
kazalar, ikinci sırada yer almaktadır [1]. Dolayısıyla
otomotiv üreticileri, bu tür kazalarda sürücü ve
yolcuların güvenliğini arttırmak için yoğun çaba
harcamaktadırlar.
Yandan gelen darbeler ise genellikle %100 ofsetli
ya da direğe çarpma şeklinde oluşmaktadır. Sürücü
ve yolcu güvenliğinin üst seviyelerde tutulması
istendiğinden dolayı yan kapı içerisinde yüksek
mukavemetli malzemelerin kullanımı tercih
edilmektedir.
Şekil 1. Araç Kazaları Dağılım Oranları [1]
1
Otomobil kapı barı, çarpışma esnasında sürücü ve
yolcuları korumak amacıyla tasarlanan ve çarpışma
esnasında oluşacak enerjiyi emme fonksiyonu olan
bir emniyet parçası olarak kapı içerisinde yer
almaktadır. Yan kapı barları, genelde çelik ve
alüminyum malzemelerden hatta son yıllarda
kompozit malzemelerden üretilmeye başlamıştır.
Şekil 3. Temperlenmemiş Martenzitte Karbon
İçeriği – Çekme Dayanımı İlişkisi [2]
Testlerde kullandığımız martenzitik malzemeler
tamamen soğuk haddelenmiş çeliklerdir. Yüksek
dayanım
seviyelerinde
iyi
derecede
şekillendirilebilme
ve
kaynak
edilebilme
özelliklerine sahip olup tüm geleneksel kaynak
yöntemleri kullanılabilir. Kullanım alanları ise
tamponlar ve yan kapı barı gibi araç emniyet
bileşenleridir [3].
Şekil 2. Araç Yan Kapı Barı [1]
2.
OTOMOBİL
KAPI
BARI’NDA
KULLANILAN MALZEMELER
Bu çalışmada parça üzerinde yüksek mekanik
değerlerin
beklenmesinden
dolayı
yüksek
mukavemetli çelik kullanılarak kapı barı üretimleri
gerçekleştirilmiştir.
Şekil 4. Martenzitik Çelik Malzemeden Üretilmiş
Araç Yan Kapı Barı
2.2. Bor Çeliği
2.1. Martenzitik Çelikler
Sıcak şekillendirme prosesi için üretilmiş olan bor
çelikleri
proses
sonrası
oluşan
yüksek
mukavemetinden dolayı otomotiv sektöründe tercih
edilmektedir. Korozyon dayanımı için Al-Si kaplı
olarak üretilmekte ve üçlü bir faz oluşturarak
korozyona karşı dayanım sağlamaktadır. Mevcut
üretimlerde
genellikle
22MnB5
çeliği
kullanılmaktadır.
Proses
sonrası
mikroyapı
tamamen martenzitik yapıya dönüşmektedir. Sıcak
şekillendirme öncesi çekme mukavemeti 500 MPa
olan 22MnB5 çeliği proses sonrasında 1900 MPa’ a
kadar çıkmaktadır. Malzemenin kimyasal içeriğinde
% 1,3 mangan, % 0,25 karbon ve % 0,003 civarında
ise bor bulunmaktadır [4].
Martenzitik çelikler sıcak haddeleme ya da tavlama
sırasında oluşan östenitin hızlı soğutularak
tamamen martenzite dönüştürülmesiyle elde
edilmektedir. Çekme dayanımları 1700 MPa’ a
kadar çıkabilmektedir. Sünekliğin artırılması için su
verme
sonrası
temperleme
işlemi
de
uygulanmaktadır. Sertleşebilirliğin artması içinse
karbon ilavesi yapılmaktadır. Şekil 3’ deki
verilerde, temperlenmemiş martenzitte karbon
içeriğinin çekme dayanımına olan etkisi
gösterilmektedir. Sertleşebilirliği arttırmak için
ayrıca, mangan, silisyum, krom, molibden, bor,
vanadyum ve nikel ilave edilmektedir [2].
2.3. TWIP (İkizlenme Etkili Yoğruklanmış
Çelikler) Çelikleri
TWIP (TWinnig Induced Plasticity) çelikleri
dizayn, performans, korozyon, düşük maliyet ve
yakıt tasarrufu gibi müşteri beklentilerinin yanı sıra
2
test sistemi yardımıyla üç nokta bükme testlerine
tabi tutulmuştur.
emisyon, çevresel düzenlemeler ve kaza güvenliği
gibi diğer gerekliliklerin ortaya çıkması sonucu
geliştirilmiştir. Bu çelikler yüksek mukavemet ve
mükemmel şekil alabilirliğinden dolayı tercih
edilmektedir. Sahip oldukları yüksek çekme
mukavemeti-süneklik kombinasyonuyla çevre dostu
ve güvenilir olduğu ortaya çıkmaktadır. % 15-30
arası yüksek mangan içeriğinin yanı sıra
alüminyum, silisyum ve karbon gibi alaşım
elementleri katılarak mekanik özelliklerin kontrolü
sağlanmaktadır. Yüksek ikiz miktarıyla birlikte tek
fazlı bir östenitik yapıya sahiptirler. Bu ikiz sınırları
dislokasyon
hareketini
önleyerek
yüksek
mukavemete sahip olmasını sağlar [5].
Şekil 6. Malzeme kesimi için parçaların 0° ve 90°
yönlerindeki sac üzerindeki şematik görüntüleri
3.
Şekil 5. TWIP Malzemeden Üretilmiş Araç Yan
Kapı Barı
Üretilen yan kapı barları, Coşkunöz Arge
bünyesindeki yorulma test sistemine adapte edilen
bir bükme aparatı ile test edilmiştir. Test sisteminde
Şekil 7’ de görüldüğü gibi yan tutucular arasına
yerleştirilen yüksek mukavemetli yan kapı barları
eyleyici (actuator) ye yerleştirilen çarpma takozu
yardımı ile 50mm, 100mm ve 150mm olmak üzere
farklı deplasmanlar yapacak şekilde deforme
edilmiştir. Yorulma test sistemi yardımıyla
malzeme üzerinde oluşan enerji emilimi
hesaplanmıştır.
Coşkunöz Metal Form A.Ş. bünyesinde bulunan
yüksek tonajlı presler yardımıyla yüksek
mukavemetli malzemeler kullanılarak üretilen
metal yan kapı barı malzemelerinin kimyasal analiz
sonuçları Tablo 1’ de gösterilmektedir.
Tablo 1. Kullanılan
Kompozisyonları
Malzemelerin
Kimyasal
Malzeme Adı
C
Mn
Cr
Si
Al
TWIP900
Martenzitik
1500M
0,35
21,0
0,50
0,20
5,000
0,21
1,10
-
0,20
0,040
YORULMA
TEST
SİSTEMİ
YARDIMIYLA FİZİKSEL ÜÇ NOKTA
BÜKME TESTLERİ
Üç nokta bükme testine tabi tutulan metal yan kapı
barı malzemelerinin mekanik değerleri Tablo 2’ de
yer almaktadır.
Tablo 2.
Değerleri
Malzeme Adı
TWIP 900
Martenzitik
1500M
Kullanılan
Malzemelerin
Akma
Dayanımı
Mekanik
Çekme
Dayanımı
%
Uzama
550
900
35
1200
1500
3
Şekil 7. Fiziksel Yorulma Test Düzeneği
TWIP ve martenzitik çeliklerin, hadde yönünde (0°)
ve hadde yönüne dik (90°) olarak sac plakalardan
kesimi yapılmıştır. Bu plakalardan kapı barı
üretimleri gerçekleştirilmiştir ve Şekil 6’da
görüldüğü üzere 0° ve 90° yönlerinde çekme
değerleri ölçülmüştür. Üretilen kapı barları yorulma
Yorulma Test sisteminde gerçekleştirilen yan kapı
barının üç nokta bükme testlerinde elde edilen
sonuçlar aşağıdaki şekillerde gösterilmektedir ve
Tablo 3’ de de enerji emilim değerleri verilmiştir.
3
Martenzitik çelik ile 0° ve 90° yönlerinde üretilen
yan kapı barı parçası 100mm deplasman yapacak
şekilde yine aynı hızda deforme edilmiştir. Şekil
10’da görüldüğü üzere değerler yine aynı yönde
olmuştur.
Şekil 8. 0° ve 90° Yönlerindeki Martenzitik
Çeliklerin Kuvvet (kN) -Deplasman (x100 mm)
Grafiği
Martenzitik çelik ile 0° ve 90° yönlerinde üretilen
yan kapı barı parçasının yorulma test sistemi
yardımıyla üç nokta bükme testi yapılmıştır. Şekil
8’de görüldüğü üzere 0° yönündeki enerji emilimi
değeri 90° yöne göre daha yüksek olduğu tespit
edilmiştir.
Şekil 11. 0° ve 90° Yönlerindeki TWIP Çeliklerinin
Kuvvet (kN) -Deplasman (x100 mm) Grafiği
TWIP çeliği ile 0° ve 90° yönlerinde üretilen yan
kapı barı parçasının da 100mm deplasman yapacak
şekilde aynı hızda deforme edilmesi sağlanmıştır.
Şekil 11’de görüldüğü üzere çıkan sonuçlarda 90°
yönünde TWIP malzemesinin daha yüksek sonuçlar
oluşturduğu gözlemlenmektedir.
Şekil 9. 0° ve 90° Yönlerindeki TWIP Çeliklerinin
Kuvvet (kN) -Deplasman (x100 mm) Grafiği
TWIP çeliği ile 0° ve 90° yönlerinde üretilen yan
kapı barı parçası yorulma test sistemi yardımıyla üç
nokta bükme testi yapılmıştır. Şekil 9’da görüldüğü
üzere 0° yönündeki enerji emilimi 90° yöne göre
daha düşük bir enerji emilimi göstermiştir. Tablo
3’de enerji emilimleri gösterilmektedir.
Şekil 12. 0° ve 90° Yönlerindeki Martenzitik
Çeliklerin Kuvvet (kN) -Deplasman (x100 mm)
Grafiği
150mm
deplasman
uygulanan
martenzitik
malzemeden elde edilmiş parçalarda şekil
değişikliği meydana gelmiş ve uygulanan kuvvet
parça üzerinden kaldırıldığında, parçalarda geri
esneme oluşarak enerji salınımı gözlemlenmiştir.
Şekil 10. 0° ve 90° Yönlerindeki Martenzitik
Çeliklerin Kuvvet (kN) -Deplasman (x100 mm)
Grafiği
4
Sanal analiz sonuçları ile fiziksel testlerin sonuçları
karşılaştırıldığında; destek elemanlarının ve çarpma
takozunun katı bir hal almasını sağlayan rijit RBE2
elemanları kullanımı yapının katılığını arttırmış ve
buna bağlı olarak da kuvvet değişimindeki eğim her
iki malzeme için de artmıştır. Malzeme
tanımlarında kullanılan ve Hill ayrıklaştırma
denklemlerini [6] baz alan malzeme modeli TWIP
malzeme için daha iyi sonuç verirken martenzitik
malzeme
için
şekilsel
olarak
doğrulama
sağlamasına
rağmen
kuvvet
değişimini
doğrulamakta yetersiz kalmıştır .
Şekil 13. 0° ve 90° Yönlerindeki TWIP Çeliklerinin
Kuvvet (kN) -Deplasman (x100 mm) Grafiği
TWIP çeliğinin 150mm deplasmandaki test
sonuçları kıyaslandığında şekil 13’ de görüldüğü
üzere 90° yönündeki parçaların enerji emilimi
değerlerinin daha yüksek olduğu tespit edilmiştir.
Tablo 3. Yorulma Test Düzeneğinde 50mm
Deplasmanda Elde Edilen Enerji Emilimi Sonuçları
Malzeme
Adı
50mm
0°
TWIP
900 3
50mm
90°
TWIP
900 15
50mm
0°
Martenzitik
1500M 3
50mm
90°
Martenzitik
1500M 14
Enerji
Emilimi
(joule)
83.292
91.717
123.084
116.47
4.
Şekil 15. Yan Kapı Barı Sanal ve Fiziksel
Analizlerin Karşılaştırması [TWIP 900 Malzeme]
YAN
KAPI
BARI
PARÇALARINA
UYGULANACAK
TESTİN
SANAL
ANALİZ ÇALIŞMASI
Yan kapı barı sanal analizlerinin sonlu elemanlar
modellenmesinde Hyperworks ürün grubunun
Hypermesh ve Hypercrash ara yüzü, çözümünde ise
Radioss çözücüsü kullanılmıştır.
Yan kapı barı parçasının sınır koşulları şekil 14’ de
gösterilmektedir.
Şekil 16. Yan Kapı Barı Sanal ve Fiziksel
Analizlerin Karşılaştırması [Martenzitik 1500M
Malzeme]
5.
SONUÇLAR
Bu çalışmada yüksek mukavemete sahip olan bir
otomobil kapı yan barının sanal analiz programında
üç nokta bükme testleri gerçekleştirilmiş, prototip
ürün elde edilmiş ve gerçek sonuçlar ile sayısal
analizde elde edilen sonuçlar karşılaştırılmıştır.
Şekil 14. Yan Kapı Barı Sınır Koşulları
5
Farklı hadde yönlerinde şekillendirilen malzemeler
kullanılarak üretilen parçalardaki enerji emilim
değerlerinin hadde yönüne bağlı olarak değiştiği
görülmüştür. Hadde yönündeki martenzitik çelik
malzemenin 90° yöndekine göre enerji emiliminin
daha yüksek olduğu gözlenirken TWIP gibi yüksek
mukavemet ve yüksek şekillendirmeye sahip
östenitik çeliklerde ise aksi durum olduğu tespit
edilmiştir. Bu sebepten dolayı TWIP malzemesinin
içyapısındaki
oluşumların
araştırılması
planlanmaktadır. Ayrıca TWIP malzemesinin 0° ve
90° yönündeki farklar yeni tasarımlarda dikkate
alınacaktır.
Şekil 16. Sanal Analiz Sonuçlarının Prototip Ürün
Üzerinde Gösterimi
Sanal analiz sonuçları ile fiziksel testlerin sonuçları
karşılaştırıldığında ise; malzeme tanımlarında
kullanılan ve Hill ayrıklaştırma denklemlerini baz
alan malzeme kartı TWIP malzeme için daha iyi
sonuç verirken martenzitik malzeme için şekilsel
olarak doğrulama sağlamasına rağmen kuvvet
değişimini doğrulamakta yetersiz kalmıştır .
6
6.
KAYNAKLAR
1.
M. Kaya, E. Yiğitoğlu, M. Çallı, Otomotivde
Kompozit Malzemeden Üretilmiş Yan Kapı
Barının Sayısal Analiz Ve Test Çalışmaları,
TMMOB Makina Mühendisleri Odası Bursa,
Türkiye,
Makina
İmalat
Teknolojileri
Kongresi, Aralık 2013
2.
http://www.mmo.org.tr/resimler/dosya_ekler/e
9a7776c9ae8ab7_ek.pdf
3.
http://www.ssab.com/tr/Brands/Docol1/Product
s/Docol-Cold-Rolled/Docol-M/
4.
The 14th Nordic Laser Materials Processing
Conference, August 2013, Laser Weldıng Of
1900 Mpa Boron Steel, K. Fahlström, J.K.
Larsson
5.
H.K.Zeytin, G.Güven, B.Berme, Geleneksel
Ve Modern Yassı Çelikler, International Iron &
Steel Symposium, Karabük, Türkiye, Nisan
2012
6.
http://www.altairhyperworks.com
Download

otomobil kapı barı parçasının yüksek mukavemetli