Ilık hidromekanik derin çekmede proses optimizasyonu - baskı plakası kuvveti, basınç ve sıcaklık üzerine deneysel ve nümerik çalışmalar
Process optimization of warm hydromechanical deep drawing- experimental and numerical studies on blank holder force, pressure and temperature
Yazar: MEVLÜT TÜRKÖZ
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN SELÇUK HALKACI
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Sonlu elemanlar analizi = Finite element analysis

Özet:
Bu çalışmada alüminyum ve magnezyum alaşımları gibi hafif malzemelerin ve yüksek mukavemetli çeliklerin özellikle oda sıcaklığındaki sınırlı şekillendirilebilirlik sorununun üstesinden gelmek için uygulanan, hidro-şekillendirme ve ılık şekillendirmenin avantajlarını birleştiren, Ilık Hidromekanik Derin Çekme (IHDÇ) prosesi deneysel ve sayısal yöntemlerle incelenmiştir. Bu kapsamda özellikle şu ana kadar henüz deneysel olarak incelenmeyen, baskı plakası kuvveti (BPK) ve sıvı basıncı ile sıcaklık parametrelerinin prosesteki birleştirilmiş etkileri, deneysel ve sayısal olarak araştırılmıştır. Çalışmada otomotiv sektöründe yoğun olarak kullanılan AA 5754 alüminyum alaşımı deney malzemesi olarak seçilmiştir.
Prosesin deneysel olarak uygulanabilmesi için ısıtma, soğutma ve sıcaklık kontrolü konularında gerekli teknikler geliştirilerek S.Ü. Hidro-şekillendirme Laboratuvarı'nda bulunan mevcut hidro-şekillendirme presine sistemler entegre edilmiş, kalıplardaki sızdırmazlık ve yalıtım problemleri çözülmüştür. Geliştirilen sistemlerin performansları ölçülmüş ve parametrelerin uygulanmasındaki tekrarlanabilirlik değerleri belirlenmiştir. Başarılı bir IHDÇ prosesi gerçekleştirerek şekillendirebilirliğin Hidromekanik Derin Çekme (HDÇ) ve Ilık Derin Çekme (IDÇ) proseslerine göre daha fazla oranda artırılması için silindirik ve daha farklı bir geometriye sahip endüstriyel parça için gerekli kalıp tasarımları ve imalatı yapılmıştır. 
IHDÇ, HDÇ ve IDÇ proseslerinin Sonlu Elemanlar modeli oluşturulmuş ve SE analizlerinde malzeme davranışının modellenebilmesi için oda sıcaklığı ve 300°C arasında sekiz farklı sıcaklıkta AA 5754-O malzemenin çekme deneyleri yapılmış, böylece malzeme modellemesinin yanında malzemenin ılık şekillendirme için uygun sıcaklık değerleri de belirlenmiştir. Malzeme davranışı çekme deneyinin yanında hidrolik şişirme deneyiyle de belirlenmiş ve malzeme davranışı konusundaki farklar ortaya koyulmuştur.
SE analizleri yapılarak kalıplar için optimum sıcaklık değerleri ve SE analizleri ile eş zamanlı çalışan Bulanık Mantık Kontrol Algoritması (BMKA) ile de optimum sıvı basıncı ve BPK profilleri (yükleme profilleri) sayısal olarak belirlenmiştir. BMKA ile optimum sıvı basıncının belirlenmesinde yeni bir yöntem önerilerek Choi ve ark. (2007) çalışmasından farklı olarak tüm ıstampa hareketi boyunca sıvı basıncı profili sacda daha az incelme oluşturacak şekilde elde edilmiştir. Sayısal olarak belirlenen optimum yükleme profilleri deneylerle de doğrulanmış böylece literatürde Choi ve ark (2007) çalışmasında eksik kalan bu kısım tamamlanmıştır. 
Optimum proses şartlarında her üç proses için de AA 5754 alaşımlı alüminyum levhada ulaşılabilecek Sınır Çekme Oranları (SÇO) HDÇ için 2.5, IDÇ için 2.625 ve IHDÇ için 3.125 olarak elde edilmiş böylece IHDÇ prosesi ile diğer yöntemlere göre şekillendirilebilirliğin önemli ölçüde artırılabildiği tespit edilmiştir. IHDÇ prosesinin şekillendirilebilirlikte önemli oranda artış avantajının yanında HDÇ prosesine göre gerekli pres kapasitesini, dolayısı ile de yatırım maliyetlerini, en azından %25 azalttığı ve IDÇ prosesine göre aynı oranda şekillendirilebilirlik için gerekli kalıp sıcaklığını 120 °C'nin üzerinde azalttığı (dolayısı ile de enerji sarfiyatını ve operasyonel maliyetlerini düşürdüğü) belirlenmiş, böylece IHDÇ prosesinin hem teknik, hem işletme hem de mali avantajları ortaya koyulmuştur. IHDÇ sistem tasarımı ve optimum yükleme profillerinin belirlenmesi konusunda geliştirilen yöntemler daha farklı bir geometriye sahip endüstriyel parça üretimi için de başarıyla uygulanarak, geliştirilen yöntemlerin genelleştirilmesi sağlanmıştır.

Abstract:
The investigation topic of this study is Warm Hydromechanical Deep Drawing (WHDD).  WHDD process was developed for overcoming low formability issues of lightweight materials, such as aluminium and magnesium alloys and high strength steels, at room temperatures. WHDD process combines the advantages of Hydromechanical Deep Drawing (HDD) and Warm Deep Drawing (WDD) processes. Within this scope, the interactive effects of temperature distribution (T), pressure (P) and Blank Holder Force (BHF) variation on the formability of the AA 5754 aluminium alloy sheets in WHDD process were investigated experimentally and numerically.  
In order to successfully implement the WHDD the process; heating, cooling and controlling of the temperature units were designed, applied and validated on the hydroforming press in the Laboratory of Hydroforming in Selcuk University. In addition, sealing and insulation problems in the tools were solved. The performances of the developed techniques were measured, and repeatability of the process was chatracterized. Necessary tools for a cylindrical cup were designed and manufactured in order to enhance the formability of the blank material by conducting a successful WHDD process. 
Finite Element Models (FEM) of the WHDD, HDD and WDD processes were constructed usıng the material behaviour curves constructed at eight different temperature levels between Room and 300°C by tensile tests. Material behaviour curves were also charactererized using hydraulic bulge test, and differences between the tensile and hydraulic bulge test were revealed. Besides the modelling of the material behaviour, proper temperature levels and distribution for warm forming were calculated.
The optimal temperatures of the tools (T) and optimal fluid pressure (P) and Blank Holder Force (BHF) profiles were determined numerically using a modified adaptive FE analysis enhanced with fuzzy logic control algorithm (FCA). Different from latest previous studies in this field (Choi et al., 2007), fluid pressure (P) profile was obtained for the entire punch stroke using an integrated adaptive FEA and fuzzy logic control algorithm (aFEA-FCA) developed in study. Hence optimal fluid pressure profile could be determined to result in less thinning when compared to the method in Choi et al. (2007). In addition, numerically determined optimal loading profiles and resulting enhance LDR values were verified by physical WHDD experiments contrary to the study of Choi et al. (2007), which was conducted only as numerically. 
Limiting Drawing Ratios (LDR) of the AA5754 material were determined as 2.5, 2.625 and 3.125 for HDD, WDD and WHDD processes, respectively at optimal process conditions.  Thus, it was found that the formability of the material could be increased significantly using the WHDD process and the optimal loading profiles determined using the aFEA-FCA method. In addition, it was found that WHDD process and the optimal loading profiles decrease the necessary press capacity at least 25% according to HDD process, and also decrease the necessary temperature level by 120°C according to WDD process leading to savings in both initial capital investments and operational costs.  Hence all of the advantages of WHDD process were revealed. Improved solutions about WHDD system design were also,applied for an industrial part having a different geometry.  Hence, the methodology developed in this study could be generalized to be used for any other product cases.