Metal tozu presleme prosesinin sayısal ve deneysel incelenmesi
Numerical and experimental investigation of metal powder compaction process
Yazar: FARUK GÜNER
Danışman: PROF. DR. HASAN SOFUOĞLU ; YRD. DOÇ. DR. ÖMER NECATİ CORA
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Atomize tozlar = Atomised powders ; Benzetim analizi = Simulation analysis ; Doğrusal olmayan analiz = Nonlinear analysis ; Kuru sürtünme = Dry friction ; Metal tozları = Metal powders ; Plastik deformasyon = Plastic deformation ; Toz metalurjisi = Powder metallurgy ; Yüksek mertebeli sonlu elemanlar = Higher order finite elements ; İç sürtünme = Internal friction ; İç sürtünme katsayısı = Internal friction coefficient

Özet:
Bu çalışmada, birçok alanda uygulaması yaygınlaşan metal tozu presleme prosesi sayısal ve deneysel olarak incelenmiştir. Mikro yapıdaki deformasyon, gerilme ve sürtünme davranışının gerçekçi olarak belirlenebilmesi için, rijit kalıp içerisine rastgele yerleştirilen 200 μm çapındaki 74 adet küresel bakır tozları Çoklu Parçacık Sonlu Elemanlar Yöntemiyle (Multi Particle Finite Element Metod-MPFEM) modellenmiştir. 60076 adet üç boyutlu tetrahedral eleman ile ağ örgüsü oluşturulan tozlar, von Mises, Modifiye Cam-Clay, Mohr-Coulomb ve Shima-Oyane malzeme modelleri kullanılarak oda sıcaklığında analiz edilmişlerdir. Bu aşamada, von Mises malzeme modeli kullanılarak gerçekleştirilen MPFEM analizindeki gerilme dağılımlarının diğer malzeme modellerine göre daha gerçekçi sonuçlar verdiği tespit edilmiştir. Sürtünme davranışının belirlenmesi amacıyla μ=0, μ=0,1, μ=0,25 ve μ=0,4 gibi farklı sabit Coulomb sürtünme katsayılarıyla ve prosese ait sürtünme katsayısının elde edilmesi için ayrıca yazılan kullanıcı alt programlarıyla oluşturulan Wanheim/Bay ve Levanov sürtünme modelleriyle analizler yapılmıştır. Sıcaklığın, gerilme ve sürtünme davranışına etkisinin incelenmesi amacıyla, çalışmalar bu üç sürtünme modeli ile 270°C'de sürdürülmüştür. Analizlerde, μ=0,25 değerinin malzeme deformasyonu açısından kritik bir değer olduğu ve Wanheim/Bay modeliyle 20°C'de ortalama 0,05 sürtünme katsayısı elde edilirken 270°C'deki değer ise 0,04 olarak tespit edilmiştir. Tezin son bölümünde ise, geometrik süreksizliği daha az olan ve 130 adet elastik-plastik toz içeren yeni bir model oluşturularak yine aynı üç sürtünme modeliyle 270°C'de analizler gerçekleştirilmiştir. Rijit zımbaya etkiyen kuvvet değerinden yola çıkılarak belirlenen basma değerleri ile yapılan deneylerden alınan numuneler, SEM ile incelenerek deforme olmuş tanelerin görüntüleri sayısal verilerle karşılaştırılmıştır.

Anahtar Kelimeler: Metal Tozu Presleme, von Mises, Modifiye Cam-Clay, MohrCoulomb, Shima-Oyane, Wanheim/Bay, Levanov, Sürtünme Katsayısı, Çoklu Parçacık Sonlu Elemanlar Yöntemi

Abstract:
Metal powder compaction process which has spreading applications in several areas was investigated in this study. In aim to determine deformations, stresses and frictional behavior realistically in micro structure, 74 spherical particles in 200 μm diameter randomly filled in a die cavity were modelled by Multi Particle Finite Element Method (MPFEM). The particles that meshed by 60076 3-D tetrahedral elements were analyzed in room temperature by using von Mises, Modifiye Cam-Clay, Mohr-Coulomb and Shima-Oyane material models. In terms of stress distributions obtained from all MPFEM analyses of this study, it was concluded that von-Mises material model is more appropriate for MPFEM analyses. Coulomb constant friction coefficient of μ=0, μ=0.1, μ=0.25 and μ=0.4 were utilized to determine friction behavior of compaction process. Wanheim/Bay and Levanov friction models were implemented into FEA through user subroutines in order to obtain friction coefficients of compaction process. In aim to investigate temperature effect on stress and friction behavior, the studies were pursued by Coulomb, Wanheim/Bay and Levanov friction models at 270°C. μ=0.25 was detected a critical value for powder deformations on these analyses. Average friction coefficient of 0.05 was attained at 20°C while 0.04 was obtained at 270°C with Wanheim/Bay model. At the final stage of this study, experiments were also performed for comparison purpose. A new finite element model having 130 elastic-plastic bodies with less discontinuity on the die geometry was constituted for experimental studies and analyzed by utilizing three friction models at 270°C. Experiments were performed by the compacting pressure determined from the force acting to rigid punch on numerical analyses. Specimens that were obtained from experiments were investigated by SEM and the captured views of deformed particles were compared with the numerical results.


Keywords: Metal Powder Compression, von Mises, Modified Cam-Clay, Mohr-Coulomb, Shima-Oyane, Wanheim/Bay, Levanov, Friction Coefficient, Multi Particle Finite Element Method