Ağır silah namlularında otofretaj işlemlerinin incelenmesi
Investigation of autofrettage processes in heavy gun barrels
Yazar: DOĞAN BARAN
Danışman: PROF. DR. YAHYA DOĞU
Kırıkkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Otofretaj, kalın cidarlı silindirlerin basınç taşıma kapasitelerini ve yorulma ömrünü artırmak için silindirin cidar kalınlığı boyunca kalıntı gerilme oluşturma işlemidir. Otofretajın uygulanmasında kullanılan çeşitli yöntemler arasında, özellikle ağır silah namlularının üretiminde tercih edilen genel iki otofretaj yöntemi hidrolik ve mekanik otofretaj işlemidir.
Bu tez kapsamında, ağır silah namlusunda hidrolik ve mekanik otofretaj işlemi sonunda oluşan gerilmeler ve deformasyonlar analitik ve sayısal olarak hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar literatürdeki çalışmalar ile karşılaştırılmıştır.
Elastik-plastik geçiş yarıçapını ve optimum otofretaj basıncını hesaplamak için analitik denklemler kullanılmıştır. Otofretajsız namluda çalışma basıncında meydana gelen gerilmeler Lame denklemleri ile, otofretajlı namluda ise otofretaj uygulama aşamaları olan yükleme, basınç kaldırma ve çalışma basıncının uygulanması için türetilmiş denklemler ile hesaplanmıştır.
Hidrolik otofretaj işleminin incelendiği namlu için otofretajsız namluda 670 MPa çalışma basıncı altında Von Mises eşdeğer gerilme değeri analitik olarak 1498,74 MPa ve sayısal olarak 1507 MPa hesaplanmıştır. Otofretajlı namluda 670 MPa çalışma basıncı altında Von Mises eşdeğer gerilmesinin maksimum değeri namlu cidar kalınlığının %61'ine gelen konumda sayısal olarak 961,96 MPa hesaplanmıştır. Bu değer analitik olarak 957,75 MPa hesaplanmıştır. Otofretaj uygulanması ile çalışma basıncı altında oluşan Von Mises eşdeğer gerilme değerinin yaklaşık %36 oranında azaldığı hesaplanmıştır. Analiz matrisinde referans analiz temel alınarak çap, akma mukavemeti, otofretaj basıncı ve çalışma basıncına göre analizler yapılarak sonuçlar grafik halinde verilmiş ve karşılaştırılmalı olarak değerlendirilmiştir.
Mekanik otofretaj işleminin incelendiği namlu için ise otofretajsız namluda 670 MPa çalışma basıncı altında Von Mises eşdeğer gerilme değeri namlu iç çapında 1350,3 MPa iken, otofretajlı namluda 368,36 MPa olmuştur. Otofretajlı namluda, eşdeğer gerilmenin maksimum değeri, namlu cidar kalınlığının %63'üne karşılık gelen bölgede 1136,2 MPa seviyesinde olmuştur. Otofretajın uygulanması ile Von Mises eşdeğer gerilmesinin maksimum değeri %16,88 azalmıştır. Mekanik otofretaj işleminde sayısal olarak hesaplanan mil kuvveti ile ölçülen değer arasındaki fark %4,52 olmuştur. Analiz matrisinde referans analiz temel alınarak farklı yüzde arakesit oranı, akma mukavemeti, sürtünme katsayısı, mandrel üzerindeki düz bölge uzunluğu ve mandrel konik açıları orantı faktörlerine göre analizler yapılarak sonuçlar grafik halinde verilmiş ve değerlendirilmiştir.

Abstract:
Autofrettage process forms residual stresses to increase the pressure carrying capacity and fatigue life of thick-walled cylinders. Although there are many techniques in practice, swage and hydraulic autofrettage processes have been mostly used in heavy gun barrel production process.
Within the scope of this thesis, the stresses and deformations resulting from hydraulic and swage autofrettage of heavy gun barrels are analytically and numerically calculated. The results are compared with the studies in the literature.
Analytical equations are employed to calculate elastic-plastic junction radius and optimum autofrettage-pressure. The stress distributions are calculated with Lame equations for the non-autofrettaged barrel under working pressure. In addition, the stress distributions during autofrettage process are calculated with certain equations specific to loading and unloading stages and working pressure application.
In hydraulic autofrettage, the maximum value of Von Mises stress is calculated analytically as 1498.74 MPa at the inner radius for a non-autofrettaged barrel under 670 MPa working pressure. While it has a maximum value of 1507 MPa at inner radius for autofrettaged barrel numerically. The location of the maximum Von Mises stress occurs at 61% barrel thickness at a value of 961.96 MPa for autofrettaged barrel under 670 MPa working pressure. It is also calculated as 957.75 MPa analytically. There is a 36% reduction of Von Mises stress for autofrettaged barrel. The investigation matrix includes a wide range of four main parameters: barrel diameter, yield strength of barrel material, autofrettage-pressure and working-pressure. The effects of these parameters on hydraulic autofrettage are given as a graph and evaluated in a comparative manner.
In swage autofrettage, the Von Mises stress under 670 MPa working pressure for non-autofrettaged barrel is calculated as 1350.3 MPa. The Von Mises equivalent stress for the autofrettaged barrel is 1136.2 MPa at 63% barrel thickness. As a result, there is 16.88% reduction of Von Mises stress for autofrettaged barrel. The investigation matrix includes five main parameters: percent interference, yield strength of barrel material, friction coefficient, mandrel parallel section length and mandrel slope angle scaling factor. The effects of these parameters on swage autofrettage are given as a graph and evaluated in a comparative manner.