Bir el aletinin ve kalıbının dövme üretim prosesinde sıcak şekillendirme özelliklerinin incelenmesi
Investigation of hot forming properties of a hand tool and its die in the hot forging process
Yazar: ECE DESTİNA BEKLETENLER
Danışman: DOÇ. DR. SİMGE İRİZALP
Manisa Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Dövme, kalıplar ve aletler aracılığıyla metallere kolayca şekil verilebilen en kullanışlı şekillendirme yöntemlerinden biridir. Proses, metale çekiçleme veya presleme yöntemi ile kuvvet uygulanması ile oluşur. Kökeni birkaç bin yıl öncesine dayanan en eski ve en kullanışlı metal şekillendirme yöntemlerinden biridir. Dövme işlemi, yüksek derecede yapısal olarak güvenilir ve mukavemet-ağırlık oranlı ürünler üretir, bu da onu, yüksek mukavemetli ve uzun süreli kullanımlara sahip bir ürünün üretimi için dikkate alınması gereken en uygun imalat süreçlerinden biri yapar. Dövme işleminin maliyetini azaltmak için, yöntem, diğer üretim yöntemlerine kıyasla daha kaliteli (yüksek mukavemet ve yüksek güvenilirlik) ürünler üretmek için en iyi parametreleri kullanabilecek şekilde tasarlanmalıdır. Ancak yeni ürün tasarımı için bir proses oluşturmak basit değildir. Tatmin edici bir ürün üretmek ve proses kurmak çok fazla deneme yanılma gerektirir. Ampirik deneme yanılma yöntemi, dövme işlemi için yaygın olarak kullanılmaktadır, ancak çok zaman alan ve maliyetli bir yöntemdir. Sonlu elemanlar (FEM) veya hacimler yöntemi (FVM) vb. gibi yüksek verimli nümerik tekniklerin mevcudiyeti ile, imalat süreçlerinin performansını test etmek için bilgisayar simülasyonları kullanılır. FVM veya FEM gibi analiz tekniklerinin gelişmesiyle, 1980'lerin başında olası bir alternatif olarak bilgisayar simülasyonu tanıtılmıştır. Kalıp tasarımını optimize etmek ve incelemek ve daha kaliteli dövme parçalar üretmek için birçok başarılı girişimde bulunulmuştur. Literatürde FEM ve FVM gibi çeşitli teknikler benimsenmiştir.
Sıcak dövme, optimum malzeme kullanımı ve daha iyi mekanik özelliklere sahip bileşenlerin üretimi için umut verici bir tekniktir. Sıcak şekillendirme işleminde kullanılan kalıp, genellikle yüksek termomekanik yüklere maruz kalır; bu nedenle, kalıpların hizmet ömrü esas olarak aşınma ve plastik deformasyonla sınırlıdır. Hizmet ömrü, yeniden üretim maliyetleri ve sıcak dövme işlemlerinin ekonomisi ile ilgilidir. Bu nedenle, sıcak dövme endüstrisindeki araştırmanın başlıca görevi, dövme kalıplarının hizmet ömrünü iyileştirmektir. Kalıp hizmet ömrü, üretim miktarı açısından boyutsal toleransı karşılayarak üretilen dövme sayısı veya kalıbın arızalara dayanabileceği hizmet süresi ile belirlenir.
Dövme firmaları tasarım sürecinde genellikle deneme yanılma yöntemini kullanmaktadır. Ayrıca, kalıbın tam dolması ve çapak oluşumunda malzeme kaybı gibi kritik hususlar söz konusudur. Ama dövme sanayisi, üretim maliyetlerini indirgerken nihai ürün kalitesini arttırmada gün geçtikçe daha rekabetçi hale gelmektedir. Bu çalışmada İzeltaş A.Ş.'de gerçekte uygulanan sıcak dövme prosesi ticari bir FVM yazılımı kullanılarak bire bir simüle edilmiş, sıcaklık değişimleri, kalıpta ve parçada meydana gelen gerilme-gerinim değerleri, kalıpta meydana gelen aşınma derinlikleri gibi sonuçlar gerçekte üretilen üründen alınan numunelere yapılan metalografik ve mekanik incelemeler ile deneysel olarak doğrulanmıştır. Simülasyon sonuçlarının doğrulanmasının ardından mevcutta uygulanan sıcak dövme işleminin iyileştirilmesi için kalıp hammaddesi, kalıp sertliği, kalıp ön sıcaklığı, şablon sıcaklığı, vuruş yüzdeleri gibi kritik parametreler değiştirilerek sonuçlar incelenmiştir. Değişkenlerin etkisi ticari FVM analiz programıyla ortaya konmuştur. Operasyonlar İzeltaş'ta gerçekleştirilmiştir. El aletindeki deneysel ve simülasyon çalışmalarının uyumlu olması kalıp hakkında FVM yardımıyla izlenen yöntemin yüksek oranda güvenilir olduğunu ve gelecek çalışmalar içinde tatmin edici sonuçlar elde edilebileceğini göstermiştir.

Abstract:
Forging is one of the most practical methods for easily shaping metals through patterns and tools. The process involves applying force to the metal object through hammering or pressing. It is one of the oldest and most useful metal shaping methods, dating back several thousand years. The forging process produces products that are highly structurally reliable and have a high strength-to-weight ratio, making it one of the most suitable manufacturing processes to consider for producing high-strength and long-lasting products. To reduce the cost of the forging process, the method should be designed to utilize the best parameters that can produce higher-quality (high strength and high reliability) products compared to other production methods.
However, creating a process for new product design is not simple. Producing a satisfactory product and establishing the process requires a lot of trial and error. The empirical trial and error method is commonly used for the forging process but is time- consuming and costly. With the presence of high-efficiency numerical techniques such as the Finite Element Method (FEM) or Finite Volume Method (FVM), computer simulations are used to test the performance of manufacturing processes.
Computer simulation was introduced as a possible alternative in the early 1980s with the development of analysis techniques like FVM or FEM. Many successful attempts have been made to optimize and examine die design and produce higher- quality forged parts. Various techniques such as Finite Element Method (FEM) and Finite Volume Method (FVM) have been adopted in the literature.
Hot forging is a promising technique for optimal material utilization and the production of components with better mechanical properties. The die used in hot shaping processes is typically subjected to high thermomechanical loads, so the service life of dies is primarily limited by wear and plastic deformation. The service life is related to the cost of re-production and the economy of hot forging processes.
Therefore, the primary task of research in the hot forging industry is to improve the service life of forging dies. The die service life is determined by the number of forgings produced in terms of dimensional tolerance, or the service time the die can withstand without failure.
Forging companies often use a trial-and-error method during the design process. Additionally, critical issues such as material loss due to incomplete filling of the die and the formation of flash are important considerations. However, the forging industry is becoming increasingly competitive in improving the final product quality while reducing production costs. In this study, the hot forging process actually applied at Izeltas A.S. was simulated one-to-one using commercial Finite Volume Method (FVM) software. The results, such as temperature changes, stress-strain values occurring in the die and the part, and wear depths in the die, were experimentally verified through metallographic and mechanical examinations of samples taken from the actually produced product. After the validation of the simulation results, critical parameters such as die material, die hardness, die preheating temperature, template temperature, and impact percentages were altered to improve the current hot forging process. The effect of these variables was determined using a commercial FVM analysis program. The operations were carried out at Izeltas. The compatibility of the experimental and simulation studies on the hand tool showed that the method followed with the help of FVM for the die is highly reliable, and satisfactory results can be obtained for future studies.