Incremental forming of light weight sheet materials at elevated temperature: An investigation of formability, failure, and output quality of the process
Başlık çevirisi mevcut değil.
- Tez No: 719033
- Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL LAZOĞLU
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Koç Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 230
Özet
Özetçe: Sac metal şekillendirme, havacılık ve otomotiv endüstrilerinde yaygın olarak kullanılmakta ve üretim alanının ayrılmaz bir parçasıdır. Günümüzde, son derece rekabetçi olan üretim alanı, daha yüksek düzeyde ürün özelleştirmesi, daha kısa tasarımdan piyasaya sürülme süresi ve daha yüksek üretkenlik talep etmektedir. Çevik imalatın gereksinimleriyle başa çıkmak için yeni sac şekillendirme teknolojisi esnek ve elverişli bir takımlama sistemine sahip olmalıdır. Kademeli Sac Şekillendirme (ISF) yöntemi bilgisayarlı sayısal kontrol (CNC) teknolojisini ve nispeten basit takımlama kullanarak, kalıpsız bir şekillendirme imkanı sunar. Isı destekli ISF, son sac bileşeninin sac şekillendirilebilirliği ve boyutsal doğruluğu açısından umut vaad etmektedir. Küresel ısınma endişeleri nedeniyle, havacılık ve otomotiv endüstrileri artık hafif malzeme ve tasarım ilkelerini uygulamaya teşvik etmektedir. Bu durumda, örneğin otomotiv sektöründe, termoplastik tüketiminde sürekli bir büyümeye yol açmıştır. Son on yılda, araştırmacılar ISF sürecinin mekanizmasını ve çalışma kurallarını anlamak için büyük çaba sarf etmişlerdir. Bu çalışmalar çoğunlukla alüminyum, çelik, titanyum ve magnezyum gibi metalik alaşımları hedef almıştır. Polioksimetilen (POM), ortam sıcaklığında düşük şekillendirilebilirliği nedeniyle, ISF için kullanılan mühendislik polimerleri arasında en az araştırılan termoplastiktir. Bununla birlikte, POM, iyi sürünme ve yorulma dayanıklılığına sahip yarı kristal bir termoplastik olarak bilinir. POM ayrıca kimyasallara, yağa ve yakıt korozyonuna karşı yüksek direnç sunar. Ayrıca POM, iyi bir yüzey kalitesi ve sürtünme direnci kalitesi de sağlamaktadır. Bu tez, Polioksimetilenin Sürtünme Karıştırma Kademeli Levha Şekillendirmesini (FSISF) araştırmaktadır. Bu nedenle kapsamlı deneysel, analitik ve sayısal (FEA) çalışması yapılmştır. Önerilen analitik ve FEA çerçeveleri, hesaplama süresi ve gerekli donanım açısından uygun bir simülasyon maliyeti ile oldukça doğru tahminler sağlayacak şekilde ayarlanmıştır. Deney tasarım (DOE) ve yanıt yüzeyi yöntemleri benimsenerek kapsamlı bir deneysel çalışma yürütülmüştür. Takım boyu, adım boyu, ilerleme hızı ve iş mili hızı gibi proses parametrelerinin proses çıktıları üzerindeki bireysel ve etkileşimli etkileri, şekillendirme kuvveti, temas sıcaklığı, ısıtma hızı ve deformasyon oranı üzerinden tartışılmıştır. Proses parametrelerinin ve zamanın bir fonksiyonu olarak toplam şekillendirme kuvvetini tahmin etmek için ampirik bir model oluşturulmuştur. Ayrıca maksimum kuvvet ve takım ucu sıcaklığı için benzer modeller geliştirilmiştir. Nispeten yüksek sac şekillendirilebilirliği elde edilirken, ısı kaynaklı kusurlardan kaçınılır. Geometrik parametrelerin sac şekillendirilebilirliği üzerindeki etkileri kısaca tartışılmış ve ISF için yeni bir şekillendirilebilirlik kriteri önerilmiştir. POM'un FSISF'sindeki sürtünme deneysel olarak değerlendirilmiştir. Boyutsal bütünlük, kalınlık dağılımı, yüzey kalitesi, malzeme kristalliğinin evrimi, yüzey sertliği ve belirli şekillendirme koşulları altında POM'un elastik modülü ölçülmüş ve tartışılmıştır. Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) ile elde edilen çatlakların morfolojisine dayalı olarak POM'un FSISF'sindeki kırılma hakkında da bir tartışma sunulmaktadır. POM'un FSISF'sinde kuvvet ve temas sıcaklığını verimli bir şekilde tahmin etmek için ortak bir sayısal-analitik yöntem önerilmiştir. Bu amaçla, deformasyon mekanizması ve gerilme-gerinim durumu, esneme-bükülme etkisini içeren bir membran analitik çerçevesine dayalı olarak tanımlanmıştır. Ayrıca, şekillendirme işleminin ilk aşamasında belirgin eğilme etkisi, dairesel bir sacın yanal konsantre yük altında bükülmesi için mevcut bir analitik çerçeve genişletilerek araştırılmıştır. Takım ve sacdaki sürtünme kaynaklı ısı ve sıcaklık dağılımı, Sonlu Fark Metodu (FDM) benimsenerek elde edilmiştir. Takım sayfası temas arayüzünün alanı, iki geometrik yaklaşım önerilerek tahmin edilmiştir. Öngörülen şekillendirme kuvveti ve temas sıcaklığı deneysel ölçümlerle doğrulanmıştır. Sürtünme kaynaklı ısı katsayısı ve meridyonel stres bileşeni, bazı FSISF karşılaştırma ölçütleri için eşdeğer plastik gerinimin bir fonksiyonu olarak sunulmuştur. Plastik şekil değiştirme enerji yoğunluğunun üç eksenliliğe oranı da nihai eşdeğer plastik şekil değiştirmenin bir fonksiyonu olarak sunulmuştur. Buna göre, FSISF sürecindeki sac hatası hakkında kısa bir tartışma da sunulmuştur. Bu tezde uygun bir simülasyon maliyeti ile FSISF sürecinin doğru sonlu eleman analizi modeli oluşturulması amaçlanmaktadır. Bu amaçla, İki Katmanlı Viskoplastik (TLV), Paralel Reolojik Çerçeve (PRF), Üç Ağ (TN) ve Johnson-Cook (JC) gibi malzeme modelleri tartışılmış ve kalibre edilmiştir. En iyi yüzey oluşturma stratejilerini, FSISF araç tanımını, eleman tipini, eleman boyutunu ve kütle ölçeklemeyi belirlemek için bir dizi karşılaştırmalı FEA yürütülmüştür. Takım ve sac arasındaki ısı dağılımı, literatürde mevcut yaklaşık analitik yöntemler üzerinde bir inceleme yapılarak ayrıntılı olarak tartışılmıştır. Kıstas FSISF testleri simülasyon için kabul edilmiştir. Simülasyon vaka çalışmaları, önerilen FEA metodolojisinin kapasitesini göstermek için çok çeşitli sac şekillendirilebilirliği, sıcaklık ve gerilim üç eksenliliğini yansıtmaktadır. Simülasyon sonuçları deneysel ölçümlerle doğrulanır. POM'un FSISF'sindeki hasar gelişimi ve hatası hakkında kısa bir tartışma sunulmuştur.
Özet (Çeviri)
Abstract: Sheet metal forming is an integral part of the manufacturing field that is widely used in the aerospace and automotive industries. Today, the highly competitive field of manufacturing demands a higher level of product customization, a shorter design-to-release time cycle, and higher productivity. A novel sheet forming technology to cope with the requirements of agile manufacturing is deemed to have a flexible and highly capable tooling system. By employing the computer numerical control (CNC) technology and relatively simple tooling, Incremental Sheet Forming (ISF) offers a die-less forming possibility. More specifically, heat-assisted ISF has been appeared promising in terms of sheet formability and dimensional accuracy of the final sheet component. Due to the global warming concerns, aerospace and automotive industries are urged to implement lightweight materials and design principles. This has led to continuous growth in the consumption of thermoplastics, for example, in the automotive sector. During the last decade, a great deal of effort has been devoted by scholars to understand the mechanism and the governing rules of the ISF process. These studies have mostly targeted metallic alloys namely aluminum, steel, titanium, and magnesium. Polyoxymethylene (POM) is the least investigated thermoplastic among the engineering polymers employed for ISF, possibly due to its low formability at ambient temperature. However, POM is known as a semicrystalline thermoplastic of good creep and fatigue durability. POM also offers high resistance against chemicals, oil, and fuel corrosion. In addition, POM provides a good surface finish and friction resistance quality. This thesis aims to investigate Friction Stir Incremental Sheet Forming (FSISF) of Polyoxymethylene. Therefore, a comprehensive experimental, analytical and numerical (FEA) study is conducted. The proposed analytical and FEA frameworks are tuned to provide fairly accurate predictions with an affordable simulation cost in terms of the computation time and the required hardware. A comprehensive experimental campaign is conducted by adopting Design of Experiment (DOE) and response surface methods. Individual and interactive effects of the process parameters, namely tool size, step size, feed rate, and spindle speed on the process outputs are discussed in terms of forming force, contact temperature, heating rate, and deformation rate. An empirical model is provided to predict the total forming force as a function of the process parameters and time. Also, similar models are developed for the maximum force and the tool-tip temperature. Relatively high sheet formability is achieved, whereas heat-induced defects are avoided. The effects of geometrical parameters on sheet formability are briefly discussed and a new formability criterion is proposed for ISF. Friction in FSISF of POM is experimentally evaluated. Dimensional integrity, thickness distribution, surface quality, the evolution of the material crystallinity, surface hardness, and elastic modulus of POM under specific forming conditions are measured and discussed. A discussion is also provided on fracture in FSISF of POM based on the morphology of the cracks acquired by Scanning Electron Microscopy (SEM). A joint numerical-analytical method is proposed to efficiently predict force and contact temperature in the FSISF of POM. For this purpose, the mechanism of deformation and stress-strain state is defined based on a membrane analytical framework including the stretch-bending effect. Also, the pronounced bending effect in the initial stage of the forming process is investigated by extending an available analytical framework for deflection of a circular sheet under a lateral concentrated load. The friction-induced heat and temperature distribution in tool and sheet are derived by adopting the Finite Difference Method (FDM). The area of the tool-sheet contact interface is estimated by proposing two geometrical approaches. Predicted forming force and contact temperature are validated by experimental measurements. Friction-induced heat rate and meridional stress component are presented as a function of the equivalent plastic strain for some FSISF benchmarks. The ratio of the plastic strain energy density to the triaxiality is also presented as a function of the final equivalent plastic strain. Accordingly, a brief discussion is provided on the sheet failure in the FSISF process. It is aimed to establish a framework for a fairly accurate FEA of the FSISF process with an affordable simulation cost. For this purpose, the material constitutive models namely Two-Layer Viscoplastic (TLV), Parallel Rheological Framework (PRF), Three Network (TN), and Johnson-Cook (JC) are discussed and calibrated. A series of comparative FEAs is conducted to identify the best meshing strategies, FSISF tool definition, element type, element size, and mass scaling. Heat partitioning between tool and sheet is discussed in detail by conducting a precise review on the available approximate analytical methods in the literature. Benchmark FSISF tests are considered for simulation. To demonstrate the capability of the proposed FEA methodology, the simulation case studies reflect a broad range of sheet formability, temperature, and stress triaxiality. The simulation results are validated by experimental measurements. A brief discussion and numerical investigation are provided on damage evolution and failure in FSISF of POM.
Benzer Tezler
- 22MnB5 çelik sacların elektrikli ısıtma ile preste sertleştirme işleminin metalurjik analizi ve mekanik davranışlara etkisi
Influence of the conductive heating on press hardening on mechanical and metallurgical properties of 22MnB5 steel sheets
İSMAİL ÖZCAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2009
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAYDAR LİVATYALI
YRD. DOÇ. DR. MURAT BAYDOĞAN
- Hafif duvar tuğlası üretiminde perlit ve bazı katkıların etkilerinin araştırılması
Başlık çevirisi yok
LEYLA TANAÇAN
- Yapay sinir ağları ve genetik algoritmalar kullanılarak EKG vurularının sınıflandırılması
Classification of ECG beats by using artifical neural networks and genetic algorithms
ZÜMRAY DOKUR
- İzmir deniz bostanlısı arazi ve laboratuvar ve yükleme deneyleri gözönüne alınarak kazıkların taşıma gücü tayini
The Determination of the bearing capacity of piles at Izmir Deniz bostanlısı considering the in-situ laboratory testing
SEMİH YENİŞAR