Analysis of tube spinning process
Boru sıvama yönteminin analizi
- Tez No: 678614
- Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA BAKKAL, DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖMER MUSIC
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Katı Cisimlerin Mekaniği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 127
Özet
Metal şekillendirme yöntemleri iki kategoriye ayrılabilir: kütle ve sac metal şekillendirme yöntemleri. Kütle şekillendirme yöntemleri, iş parçalarının düzlemsel olduğu, neredeyse sabit duvar kalınlığına ve ağırlıklı olarak düzlemsel gerilme durumunun baskın olduğu sac şekillendirme yöntemlerinin aksine, kesit ve kalınlıkta büyük değişikliklere ve genellikle çok eksenli bir gerilme durumuna sahip uzamsal iş parçalarını içerir. Göreceli olarak daha yakın zamanda geliştirilen kütle metal şekillendirme yöntemlerinden birisi, boru sıvama yöntemidir. Boru sıvama, sürekli kütle şekillendirme yöntemlerinden birisi olup, kaynaksız, silindirik, konik ve kontürlü yüksek ölçüsel hassasiyete sahip boruların imalatında kullanılmaktadır. Basit olarak, boru, malafa ile birlikte kendi etrafında dönerken, bir rölenin borunun dış çapı boyunca ilerlemesi ile boru sıvama yöntemi gerçekleşir. Röle, boru boyunca ilerledikçe borunun duvar kalınlığı azalır ve boyu uzar. Altmış yılı aşkın süredir, boru sıvama yöntemi, otomotiv sektörü başta olmak üzere, uzay ve nükleer endüstrisinin mühendislik uygulamaları içerisinde çok geniş yelpazeli bir uygulama alanı edinmiştir. Aynı zamanda, bu süreçte boru sıvama yöntemi üzerine çok sayıda araştırma yayınlanmıştır. Endüstrinin daha kısa üretim süresine ve dar boyutsal toleranslara sahip parçaların imalatına yönelik ihtiyacı, boru sıvama makinelerinde gelişmelerin olmasını sağlamıştır. Bu gelişmeler, üretilen parçaların kalitesinde büyük bir iyileşme ile sonuçlanmıştır. Boru sıvama üzerine literatürde çok sayıda inceleme olmasına rağmen, yöntemin mekaniğini anlamak için yapılmış araştırmalar sınırlı sayıdadır. Son 20 yılda, sayısal modellerin ve hesaplama gücünün gelişmesi ile birlikte, yöntemin ve mekaniğinin anlaşılması önemli ölçüde gelişmiştir. Bununla birlikte, boru sıvama yöntemine yönelik bilgiler hala sınırlıdır ve belirli bir ürünü sıvama yoluyla yapmak gibi nispeten basit bir görev hala büyük ölçüde makineyi kullanan kişinin becerisine dayanmaktadır. Bu tez, analitik ve sayısal modellerle birlikte fiziksel denemeleri kullanarak, boru sıvama yönteminin şekillendirme ve hata mekaniğini incelemeyi ve buradan elde ettiği bilgiyi kullanarak yöntemde meydana gelebilen geometrik oluşumları açıklamayı amaçlamaktadır. Tezde, işlem parametrelerinin boru geometrisi üzerindeki etkilerini anlamak için bir dizi boru sıvama denemeleri gerçekleştirilmiştir. Bu denemeler ile çan ağzı, malzeme birikimi ve iç dalga oluşumlarının incelenmesi amaçlanmıştır. Deneme parametrelerini karşılaştırmak için borular ticari bir lazer tarayıcı kullanılarak ölçülmüş ve ardından her birinin geometrisi karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma sonuçları, boru başına ilerleme hızının, incelme oranının (kalınlık) ve paso sayısının artmasıyla birlikte çan ağzı, malzeme birikimi ve iç dalga oluşumunun arttığını, kademeli röle kullanımı ile de azaldığını göstermektedir. Ancak iki paso uygulandıktan sonra, paso sayısının boru geometrisi üzerinde etkisinin azaldığını göstermektedir. Ayrıca sonuçlar, sürtünme (yağlama) ile boyutsal doğruluk arasında bir ilişki olmadığını göstermektedir. Boru sıvama yönteminin mekaniği hakkında bilgi edinmek için sayısal ve analitik modelleme yaklaşımları geliştirilmiştir. Bu yaklaşımlarda, tam boru modeli ve bir dizi açısal dilimli boru modeli kullanılmıştır. Tam modelle karşılaştırmak için beş farklı dilim açısıyla boru modeli oluşturulmuştur: 120°, 90°, 60° ve 30°. Açısal dilimli modelleri tam model ile geometri, kuvvet, birim şekil değişimi ve hesaplama süresi açısından karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, 90° dilimli modelin, tam modele bir alternatif olduğunu göstermektedir. Önemli sonuçlardan biri, karşılaştırmaların 90° sürtünmesiz dilimli modelin tam modelden 13 kat daha hızlı olduğunu göstermesidir. Hesaplama hızındaki artış çok önemlidir, ancak bunun yanında, bu yaklaşımın getirdiği hata sadece %3.5'tir. Malzeme özelliklerini belirlemek için çekme ve basma testleri yapılmıştır. Silindir-boru ve malafa-boru arasındaki sürtünme katsayılarını belirlemek için halka basma testi kullanılmıştır. Model, fiziksel deneme ile karşılaştırılmasının yanında, şekillendirme kuvvetleri ve boru geometrileri açısından doğrulanmıştır. Boru geometri karşılaştırmaları, modelin fiziksel denemeler ile %97 oranında uyumlu olduğunu göstermektedir. Fiziksel denemede elde edilen radyal ve eksenel kuvvet ile modelin radyal ve eksenel kuvveti %94 uyum içinde olup aynı eğilime sahip olduğu tespit edilmiştir. Öte yandan, gerekli şekillendirme kuvvetini tahmin etmek için boru, düzlem-birim şekil değişimi sürtünmesiz ekstrüzyon koşullarının olduğu varsayılarak üst sınır yöntemiyle analitik olarak analiz edilmiştir. Bu yöntemle, eksenel kuvvet, dilimli modelin ortalama kuvvetinden %25 daha fazla hesaplanmıştır. Boru sıvama yönteminin sayısal modeli geliştirilip doğrulandıktan sonra şekillendirme ve hata mekanizmaları plastik birim şekil değişimi, birim şekil değişimi hızı, gerilme ve şekillendirme kuvveti açısından incelenmiştir. Eşdeğer plastik birim şekil değişimi dağılımı, birim şekil değişimi iç çaptan dış çapa doğru kademeli olarak arttığından, kalınlık boyunca boru şekillendirmesinin eşit olmadığını gösterir. Ayrıca, eşdeğer plastik birim şekil değişimi hızı dağılımı, boru şekillendirmesinin silindirin önündeki ve hemen altındaki bölgede yoğunlaştığını göstermektedir. Birim şekil değişimi hızına ait şekiller, yöntemin başlangıcında bile şekillendirme mekaniğinin kararlı duruma ulaştığını göstermektedir. Normal ve kesme gerilmelerinin sonuçları göz önüne alındığında, normal gerilmelere kıyasla kesme gerilmeleri düşük iken, normal gerilmenin üç bileşeninin, yüksek hidrostatik gerilme ile maksimum 600 MPa değerinde bir basma gerilmesine sahip olduğunu göstermektedir. Sonuçlar, boru sıvama yönteminde, yüksek malzeme şekillendirilebilirliğini açıklayan yüksek hidrostatik gerilimlerin mevcut olduğunu göstermektedir. Öte yandan, hata mekaniği hakkında bilgi edinmek için, değişen yöntem parametreleri ile bir dizi sayısal analiz yapılmış ve analizler birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Sonuçlar deneysel çalışma ile uyum göstermektedir. Ek olarak, sonuçlara göre, malzeme birikiminin ve iç dalganın ilerleme hızı, incelme oranı (kalınlık) ve röle giriş açısındaki artışla birlikte arttığını ve paso sayısındaki artışla azaldığını göstermektedir. Ancak, sonuçlar, incelme oranı, röle giriş açısı ve paso sayısı arttıkça çan ağzı olayının azaldığını, ilerleme hızı arttıkça ise arttığını göstermektedir. Özetlemek gerekirse, geliştirilen sayısal modelle, geri yönlü boru sıvama yönteminin şekillendirme ve hata mekanizması araştırılmış ve daha fazla araştırma için yöntemin çalışma penceresine ilişkin bilgiler verilmiştir.
Özet (Çeviri)
Tube spinning is a continuous bulk-forming process used to produce seamless, cylindrical, conical and contoured tubes. Over the last six decades, tube spinning process has been applied in a wide range of engineering applications; especially in automotive, aerospace and nuclear industry. However, the process has seen little change, and despite a large volume of literature investigating the process, understanding of the process mechanics is limited and the key references have been published about 50 years ago. This thesis aims to provide an insight into tube spinning process and its process mechanics, looking into mechanism of deformation, subsequently using this insight to explain phenomena observed in tube spinning. To do this, tube spinning was investigated in detail using three different theoretical investigation methods. To understand the effects of process parameters on tube geometry in terms of tube geometry: bell-mouth, material accumulation and wave phenomena, a set of physical trials was performed with varying process parameters: feed ratio, reduction ratio, staggered spinning and lubrication. The results show that bell-mouth, material accumulation and wave increase with an increase in feed ratio and reduction ratio, number of passes and decrease when staggered roller setup is used. However, the results indicate that there is no relationship between friction (lubrication) and dimensional accuracy. Also, to give insights into the mechanics of tube spinning process, numerical and analytical modelling approaches have been developed. The process is investigated using a numerical model with an implicit time integration and Lagrangian scheme. Full tube model and a set of fast angular segment tube models have been developed and validated against physical trials in terms of tube profile and forming forces. According to the tube profile comparison between the model and physical trial, the results show that the model agrees with the physical trial to within %97. Also, radial and axial forces in the physical trials and the model have the same trend with an agreement of %94. Segment model is 13 times faster than the full model, yet the error introduced by this approach is only 3.5%. Model results further show that both equivalent plastic strain and plastic strain rate are concentrated in the region immediately under and ahead of the roller, and that the process reaches steady-state early in the process. The stress state is dominated by compressive normal stresses in all three directions. On the other hand, using upper-bound method, tube was analytically analysed and forming axial force was estimated as %25 higher than the average force of the segment model.
Benzer Tezler
- Modelling and analysis of tube spinning
Boru sıvama prosesinin modellenmesi ve analizi
KEREM ÇİZMECİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Makine MühendisliğiAtılım Üniversitesiİmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. CANER ŞİMŞİR
YRD. DOÇ. DR. ÖMER MUSIC
- Texture and microstructural evolution of AISI 4140 steel during tube spinning process
AISI 4140 çeliğinin boru sıvama yöntemi esnasında tekstür ve mikroyapısal gelişimi
ECEM ÖZDEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Metalurji MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HAKAN YILMAZER
DOÇ. DR. CANER ŞİMŞİR
- Ductile failure analysis during backward flow forming processes
Geri yönlü akıtarak sıvama süreçlerinde sünek kırılma analizi
HANDE VURAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Havacılık ve Uzay MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiHavacılık ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUNCAY YALÇINKAYA
- İğ sistemlerinin dinamiğinin deneysel incelenmesi
Dynamic analysis of ring spinning machines
ÜMİT KIRBAŞLI
- Elektrospinning yöntemi ile gümüş nanopartikül içeren PVP bazlı antibakteriyel nanolif üretimi
Production of the antibacterial PVP nanofibers containing silver nanoparticles via electrospinning method
HAVA ÇAVUŞOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞEGÜL MERİÇBOYU