Bağlantı elemanı üretiminde kullanılan soğuk dövme kalıplarında kalıp ömrünü etkileyen parametrelerin belirlenmesi ve optimizasyonu
Determination and optimization of parameters affecting die life of cold forging dies used in fastener production
Yazar: SEZGİN YURTDAŞ
Danışman: DOÇ. DR. LEVENT AYDIN ; PROF. DR. ÖMER EYERCİOĞLU
İzmir Katip Çelebi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Yapılan bu tezde, soğuk şekillendirme yöntemiyle bağlantı elemanı üretiminde kullanılan eksenel simetrik soğuk dövme kalıplarının üretim hattı koşullarında en yakın kalıp ömür tahmininin yapılabilmesi için sayısal model kurulması ve bu modellerin optimizasyonu ile ilgili kalıp ömrünün maksimize edilmesine yönelik çalışmalar bütünü gerçekleştirilmiştir. Soğuk şekillendirme kalıp ömürlerinin tahmin edilmesinde yaygın olarak kullanılan Morrow denkleminin üretim hattı doğrulamalarında yüksek saçılımlara yol açması nedeniyle ilgili denklemin yorulma dayanım üssü (b) ve yorulma dayanım katsayısı (σf') revize edilmiştir.
Çalışmada 4 farklı bağlantı elemanı ve kalıp geometrisinin üretim hattı ve sayısal simülasyon verileri kullanılarak Morrow denklemindeki yeni katsayılar belirlenmiş ve yapılan deneme çalışmaları ile ilgili modelin üretim hattını yeterince doğru yakınsadığı belirlenmiştir. Doğrulama ve optimizasyon çalışmaları kapsamında seçilen eksenel simetrik bir kafa dövme kalıp formunda D-Optimal deney tasarımı kullanılarak 4 farklı imalat parametresinin çeşitli seviyeleri icin 3 boyutlu modelleme ve nümerik çalışmalar yürütülerek kalıp ömür tahminleri yapılmıştır. Çalışmada kullanılan D-Optimal deney tasarımı Design Expert, tasarım ve modelleme çalışmaları Catia, soğuk dövme malzeme akış ve kalıp ömür analizleri ise Simufact.forming yazılımında gerçekleştirilmiştir. Mathematica yazılımı vasıtasıyla numerik çalışmalardan alınan çıktılar kullanılarak sayısal modelleme aşamasına geçilmiş olup üretim hattını ve nümerik çalışmaları temsil eden sayısal modeller elde edilmiştir. Rastgele belirlenen 10 farklı data grubu ile olusturulan aday modeller R2 değerleri açısından değerlendirilmiştir. Mühendislik parametrelerine göre en uygun 2 model belirlenerek soğuk dövme kalıp ömrünü maksimize etmeye yönelik çalışma gerçekleştirilmiştir. 
Optimizasyon aşamalarında Rastgele Arama, Diferansiyel Evrim, Nelder Mead ve Simüle Edilmiş Tavlama yöntemlerinin versiyonları ele alınmıştır. İkinci dereceden trigonometrik çoklu doğrusal olmayan model (SOTN) ve İkinci dereceden logaritmik çoklu doğrusal olmayan model (SOLN) modelleri için 5 farklı senaryoda belirtilen 4 farklı algoritma ile sonuçlar elde edilmiştir. Optimizasyon çalışmalarında kalıp imalat aşamaları da göz önünde bulundurularak SOLN modeli için maksimum kalıp ömür değeri 497.299 olarak tespit edilmiştir. Gerçekleştirilen üretim hattı doğrulama çalışmalarında 5 tane soğuk şekillendirme kalıbı test edilmiş olup ortalama kalıp yorulma ömrü 560.800 olarak tespit edilmiştir. Elde edilen yeni kalıp ömrü ile çalışma öncesindeki duruma kıyasla %74,2 oranında bir kalıp ömür artışı belirlenmiştir. İlgili 5 adet K5 kalıbının üretim denemesinde en yüksek yorulma ömrü 631.200 iken en düşük yorulma ömrü de 456.400 olarak belirlenmiştir.

Abstract:
This thesis presents a numerical model that has been developed and optimized to enhance the lifetime of axially symmetric cold forging dies used in the production of fasteners through cold forging. The aim was to estimate the die life under production line conditions as accurately as possible. Due to the significant variability in the results of the Morrow equation, which is commonly used to predict the lifetimes of cold forging dies, the fatigue strength exponent (b) and fatigue strength coefficient (σf') of the equation were revised. 
The study involved determining new coefficients in the Morrow equation using production line and numerical simulation data of four different fasteners and cold forging dies. The model was found to be accurate in approximating the production line based on experimental studies. For verification and optimization studies, a D-Optimal experimental design was used to predict die life for various levels of four different manufacturing parameters through 3D modeling and numerical simulations. Design Expert and Catia software were used for the D-Optimal experimental design and design studies, respectively. The cold forging material flow and die life analyses were performed using Simufact.forming software. The outputs obtained from numerical studies through Mathematica software were used to develop numerical models representing the production line and numerical studies. Candidate models created with randomly selected ten different data groups were evaluated in terms of R2 values. The two most suitable models were identified based on engineering parameters, and a study was conducted to maximize the lifetime of the cold forging die.
In the optimization stages, four different algorithms (Random Search, Differential Evolution, Nelder Mead, and Simulated Annealing) were used to obtain results for five different scenarios for the Second Order Trigonometric Multiple Nonlinear (SOTN) and Second Order Logarithmic Multiple Nonlinear (SOLN) models. Considering the various stages involved in die manufacturing, the SOLN model was employed to determine the maximum die life value of 497,299. In production line verification studies, five cold forming dies were tested, and the average die fatigue life was determined as 560,800. Compared to the situation before the study, a die life increase of 74.2% was determined with the new die life obtained. During the production test of the five K5 dies, the highest fatigue life was determined as 631,200 and the lowest fatigue life was determined as 456,400.