Katmanlı saclardan derin çekilerek parça üretimi ve şekil alma kabiliyetinin araştırılması

Abstract

Ara yüzeyleri yapıştırma, kaynak, haddeleme gibi yöntemler ile birleştirilerek iki farklı metal sacdan üretilmiş, birlikte yük taşıyan, şekil alabilen bileşik saclar çift katmanlı (bimetalik) sac olarak isimlendirilir. Bu tür katmanlı saclar, hafif ve dayanıklı olmaları sebebiyle son yıllarda otomotiv endüstrisinde taban, tavan ve kaput sacı olarak kullanılmaktadır. Bu sacların şekil alma kabiliyetlerinin otomotiv endüstrisi için düşük olması, kaynak edilememesi, şekillendirme sırasında veya sonrasında katmanlar arası ayrılmaların oluşması katmanlı sacların yaygınlaşması için aşılması gereken başlıca sorunlardır. Bu doktora tezinde, çelik (Çe) ve alüminyum (Al) saclar, poliüretan esaslı bir yapıştırıcı kullanılarak birleştirilmiştir. Çift katmanlı saca ve onu oluşturan tek saclara çekme testi yapılarak mekanik özellikleri belirlenmiştir. Düzlem dışı gerdirme testleri ile saclara ait şekillendirme sınır diyagramları (ŞSD) elde edilmiştir. Ayrıca tek ve çift katmanlı saclar derin çekilerek limit çekme oranları (LÇO) hesaplanmış ve tek saclarınki ile karşılaştırılmıştır. Derin çekilen çift katmanlı parçalardan kesilen numunelere sertlik ölçümü yapılarak bölgesel olarak pekleşme durumları belirlenmiştir. Derin çekme işlemi, sonlu elemanlar metodu ile ABAQUS programında modellenerek deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Çalışma sonucunda, çift katmanlı sacların mekanik dayanımları, onu oluşturan iki metal sacın mekanik dayanımlarının arasında çıkmıştır. Kompozit malzemeler için kullanılan karışım kuralı ile çift katmanlı sacların mekanik özellikleri yaklaşık %3’lük bir hata payı ile hesaplanmıştır. Çift katmanlı sacın soyulma direnci 10 N/mm, kayma dayanımı ise yaklaşık 3.1 MPa olarak belirlenmiştir. Çift katmanlı sacların ŞSD’leri dış katmandaki sacın ŞSD’sine yakın çıktığı belirlenmiştir. Düzlem şekil değiştirme halinde, Çe sacın limit şekil değiştirme miktarı 0.310 iken, Al sacın 0.210 saptanmıştır. Çift katmanlı Al/Çe sac için (Al sac zımba ile temas halinde) 0.295, Çe/Al dizilimi için 0.267 bulunmuştur. Diğer taraftan çift katmanlı saclar derin çekilerek LÇO’ları belirlenmiş ve işlem pencereleri oluşturulmuştur. Çift katmanlı sacların LÇO’larının iç katmandaki sacın LÇO’suna yakın olduğu belirlenmiştir. Buna göre Çe sac için maksimum LÇO 2.14 iken, Al sac için bu değer 2.27 olarak belirlenmiştir. Çift katmanlı sacda ise Al/Çe dizilimde 2.25 iken, Çe/Al diziliminde 2.16 olarak saptanmıştır. ABAQUS ile çift katmanlı saclar 4 farklı çift katman tasarımı ile modellenerek gerçeğe en yakın sonucu veren çift katman modeli %8’lik bir hata payı ile belirlenmiştir. Çift katmanlı sacların maksimum 90 kN baskı plakası kuvveti altında, 1.9 LÇO ile hasar oluşmadan derin çekildiği tespit edilmiştir. Tek sacların hadde yönüne göre 0°-0° veya 0°-90° şeklinde dizilmesi ile oluşturulan Al/Çe çift katmanlı saclarda kulak yüksekliklerinde azalma görülmüştür.

Bimetallic sheets are made of two different sheet metals which are combined with methods such as bonding, welding, rolling. The bimetallic sheets carries loads together and it can take final desired form. Such layered sheets are used as floor, cladding, ceiling and hood sheets especially in the automotive industry in recent years due to their light weight and durability. The low formability, poor weldability, delamination between each metal sheet layers during forming are the fundamental problems that must be overcome in order to the layered sheets to become widespread for automotive industry. In this thesis, steel (St) and aluminium (Al) sheets were bonded using a polyurethane based adhesive. The mechanical properties of the bimetallic sheet and the monolithic sheets were determined by uniaxial tensile tests. Forming Limit Diagram (FLD) of the mono and bimetallic sheets were plotted with out-of-plane formability tests. In addition, monolithic and bimetallic sheets were deep drawn and their limit drawing ratios (LDR) were calculated and compared to monolithic sheets. Local hardening conditions were determined by hardness measurements on samples cut from deep drawn bimetallic sheet pieces. The deep drawing process was modelled via ABAQUS program. FEM analysis were compared with the experimental deep drawing results. As a result, it was determined that the mechanical strengths of double-layer sheets are between the mechanical strengths of the monolithic sheets. By the mixing rule used for metal composite layered materials, the mechanical properties of bimetallic sheets can be calculated by error of approximately 3%. The peel resistance of the double layer sheet was determined as 10 N/mm, and the shear strength was determined as almost 3.1 MPa. The FLDs of the bimetallic sheets are close to the FLD of the sheet in the outer layer. In case of plane strain, the limit strain for St was 0.310, while limit strain of Al sheet was determined as 0.210. For bimetallic sheets, it was found to be 0.295 for Al/St (Al inner layer) and 0.267 for St/Al. On the other hand, the LDRs of the bimetallic sheets and the processing windows were determined by deep drawing. The LDR of the bimetallic sheets were close to the LDR of the sheet in the inner layer. Accordingly, while the maximum LDR for St was 2.14, this value for Al was determined as 2.27. In the bimetallic sheet, it was determined as 2.25 in the Al/St lay-up and 2.16 in the St/Al lay-up. By ABAQUS, double-layer sheets were modelled with 4 different bimetallic sheet designs and the model that gives the most realistic deep drawn cup result with an error of approximately 8%. In addition, a decrease in ear heights was observed in the Al/St bimetallic sheets formed by arranging the monolithic sheets in the form of 0°-0 ° or 0°-90 ° depending on the rolling direction.