Isıl İşlem Süreç Optimizasyonu ile Maliyetlerin Düşürülmesi

Döküm prosesinde katılaşma ve soğuma esnasında parçalarda oluşan kalıntı gerilmeler döküm sonrasında uygulanan talaşlı imalat yada parçanın kullanımı sırasında ciddi problemlere yol açmaktadır. Örnek vermek gerekirse, denizcilik alanı için üretilen sfero döküm bir yatak başlığı parçasında depoda stok halinde iken boyutsal ölçülerinde değişiklikler olduğu tespit edilmiştir. Bu nedenle genellikle parçalarda döküm sonrası oluşan kalıntı gerilmelerini gidermek için normalizasyon tavlaması yapılması tavsiye edilmektedir.

Finli dökümhane grubu Componenta ile denizcilik ve enerji sektörlerine komponent üretimi yapmakta olan Wartsila firmalarının ortaklaşa gerçekleştirdiği bir projede demir döküm ana yatak başlığı parçalarında normalizasyon adımının prosesten çıkarılıp çıkarılamayacağına dair araştırmalar yapıldı. Parçalara proseste bir gün boyunca 550-600 0C arasında ısıl işlem uygulanmaktaydı. Bu normalizasyon adımını atlamanın üretim sürecini oldukça hızlandıracağı ve maliyetleri azaltmada önemli bir fayda sağlayacağı tahmin edilmekte idi.

Her iki firma da üretim ve döküm süreçlerinde MAGMASOFT® verilerini kullanmaktadır. Kalıntı gerilme analizi için çok önemli bir temel oluşturan, parçanın döküm sonrası katılaşmaya başlamasından sarsaktan çıkmasına kadar geçen süre içerisindeki etkin soğutma koşullarının ve parametrelerinin tespit edilebilmesi amacıyla birkaç simülasyon uygulaması ve kalıp soğuma hızı ölçümü gerçekleştirildi. Söz konusu ana yatak başlığı parçasındaki kalıntı gerilmeleri tam anlamıyla analiz edebilmek amacıyla elde edilen simülasyon sonuçları üretilen numuneler ile karşılaştırıldı. Sonrasında, ısıl işlem uygulanmamış yatak başlığı parçasının stok halinde iken boyutsal ölçümü yapılarak boyut değişikliklerine karşı parçanın direnci tespit edilmeye çalışıldı.

Soğuma eğrilerinin ölçülebilmesi için kalıp boşluklarına sensörler yerleştirildi ve sonrasında aynı koşullarda kalıp kapatıldı ve döküm işlemi gerçekleştirildi. 24 saatlik soğuma süresinden sonra parça kalıptan çıkarıldı ve sıcaklığı 290 0C olarak ölçüldü.

Figür 1: Ana yatak başlığı

Figür 1: Ana yatak başlığı

Ölçülen eğriler ile simülasyon sonuçlarını doğru bir şekilde karşılaştırabilmek amacıyla Sanal Analiz aracında kullanılan tasarımda birebir aynı noktalara sanal termokupllar yerleştirildi. İlk simule edilen soğuma eğrileri ile üretim esnasında ölçülen soğuma eğrilerinde büyük farklılıklar olduğu görüldü. Daha önce gerçekleştirilen simülasyon projelerinden edinilen tecrübelere dayanılarak, simüle edilen ve ölçülen eğriler arasında bir denge yakalayabilmek amacıyla simülasyona girilen kum özelliklerinin değiştirilmesine karar verildi. Tersine mühendislik ile tespit edilen kum özellikleri sonrasında proses tekrar simüle edilerek kalıntı gerilme oluşumları incelendi. Sonrasında deneme üretimi gerçekleştirilerek parça yüzeyinde birbirine dik pozisyonlarda iki farklı noktada X-ray difraktometresi ile kalıntı gerilme ölçümü gerçekleştirildi. Parça yüzeyinde görülen gerilmelerin çoğunlukla parça yüzeyinden 1 mm derinliğe kadar basma gerilmeleri oluşmasına neden olan bilyalı yüzey sertleştirme (shot peening) işleminden kaynaklandığı kabul edildiği için kalıntı gerilme simülasyonlarının ve gerçek ölçümlerinin genellikle 1 mm sonrasından itibaren yapılması tavsiye edilmektedir.

Figür 2: Simülasyon sonucu elde edilen ve ölçülen sıcaklık eğrileri

Figür 2: Simülasyon sonucu elde edilen ve ölçülen sıcaklık eğrileri

Bu iki farklı noktada yapılan ölçümlere dayanarak Von Mises gerilmeleri hesaplandı. 1 numaralı noktadan alınan ölçümler yukarıda görselde simülasyon sonuçları ile birlikte verilmiştir.

Simülasyon esnasında 1 numaralı nokta üzerinde hesaplanan kalıntı gerilme 45 MPa civarında idi, parça üzerinde yüzeyden itibaren 1.5 - 5 mm arasında yapılan ölçümlerde bu değerin simülasyon ile örtüşen biçimde 16 ile 53 MPa arasında değiştiği görüldü.

Simülasyonda elde edilen ana yatak başlığı parçasındaki maksimum asal gerilme dağılımı aşağıdaki şekilde görülmektedir. En yüksek değer herhangi bir kritik yüke maruz kalmayan bölge olan merkez bölgesinde gözlenmekte olup; 60 MPa civarındadır.

Figür 3: Birbirine dik iki farklı noktada gerçekleştirilen kalıntı gerilme ölçümleri - phi=0° ve phi=90° ve sonuçlar

Figür 3: Birbirine dik iki farklı noktada gerçekleştirilen kalıntı gerilme ölçümleri - phi=0° ve phi=90° ve sonuçlar

MAGMASOFT® ile yapılan analizler sonrasında katılaşma ve soğuma sırasında oluşan kalıntı gerilmelerin parça üzerinde ciddi bir çarpılmaya yol açacak seviyede olmadığı tespit edildi. Başka bir deyişle söylenecek olursa, gerilim giderme işlemi yapılmaksızın üretilen parçaların stok halinde dahi önemli bir süre boyutsal değişikliğe uğramayacağı sonucuna varıldı.

Figür 4: Ana yatak başlığı parçasındaki maksimum asal gerilme dağılımı

Figür 4: Ana yatak başlığı parçasındaki maksimum asal gerilme dağılımı

Bu varsayımı test etmek amacıyla, deneme amacıyla üretilen 3 ana yatak başlığına gerilim giderme işlemi uygulanmaksızın talaşlı imalat gerçekleştirildi. Sonrasında 3 boyutlu ölçüm cihazı ile parçaların hassas bir biçimde boyutları ölçülerek 1 ay boyunca stok sahasında bekletildi.

1 ay sonunda yapılan ölçümlerde parçaların boyutlarında çok küçük değişiklikler olduğu belirlendi. Kritik ölçü noktaları dahil olmak üzere parçaların toleranslar içerisinde bulunduğu tespit edildi. Sonuç olarak, bu proseste gerilim giderme tavlamasına gerek olmadığı kabul edilerek maliyetlerde de önemli bir düşüş sağlanmış oldu.

Figür 5: Simülasyonda görülen ve deneme esnasında ölçülen (sol) Von Mises gerilme değerleri

Figür 5: Simülasyonda görülen ve deneme esnasında ölçülen (sol) Von Mises gerilme değerleri

Wärtsilä

Wärtsilä, Finlandiya, global piyasada öncü gemi motoru ve enerji tesisleri üreticilerinden biri olarak tanınmaktadır.

Componenta

Componenta, Finli teknoloji şirketi, dökme demir malzemeden işlenmiş komponent tedarikçisi olarak faaliyet göstermektedir.

Bu web sayfası size daha iyi kullanıcı deneyimi sunabilmek için çerezler kullanmaktadır. Gizlilik politikası