Metalik malzemelerde proses parametrelerinin sürtünme katsayısına etkilerinin deneysel ve nümerik yöntemlerle incelenmesi

Abstract

Sac metal şekillendirme simülasyonlarında analiz sonuçlarının gerçeğe yakınlığı, büyük ölçüde sınır şartlarının doğru tanımlanmasına bağlıdır. Bu parametrelerin en kritiği olan sürtünme katsayısı, endüstriyel uygulamalarda genellikle sabit bir değer (Coulomb sürtünme modeli) olarak kabul edilmektedir. Ancak karmaşık geometrilere ve değişken temas basınçlarına sahip parçalarda bu yaklaşım; geri esneme ve yırtılma tahminlerinde ciddi sapmalara neden olmaktadır. Bu tez çalışmasında, 0,73 mm kalınlığındaki CR4 kalite sac malzeme kullanılarak; sürtünme katsayısının sabit bir değer olmadığı, aksine yüzey basıncı ve parça geometrisine bağlı olarak değişkenlik gösterdiği hipotezi test edilmiştir. Çalışmanın deneysel aşamasında, MTS test cihazına entegre edilen özel tasarım bir deney düzeneği vasıtasıyla numuneler; 3 MPa ve 5 MPa olmak üzere iki farklı yüzey basıncına maruz bırakılmıştır. Veri güvenilirliğini sağlamak amacıyla deneyler tekrarlanabilir setler halinde gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın nümerik aşamasında ise Autoform yazılımı kullanılarak deneysel koşullar sanal ortamda modellenmiş; basınç dağılımı ve sürtünme çıktıları karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Elde edilen bulgular, formsuz (düz) numune durumunda simülasyon verileri ile deneysel sonuçların yüksek hassasiyetle örtüştüğünü ortaya koymuştur. Buna karşın, farklı formlu kesitlerde yapılan deneylerde simülasyon sonuçlarının deneysel verilerden önemli ölçüde saptığı gözlemlenmiştir. Bu çalışma; basınca ve geometriye bağlı sürtünme katsayısının, güncel Sonlu Elemanlar Analizi (SEA) yazılımları tarafından modellenen ideal durumlar ile gerçek fiziksel çıktılar arasında farklar yarattığını, dolayısıyla daha gelişmiş sürtünme modellerinin kullanımının bir zorunluluk olduğunu kanıtlamaktadır. Çalışmanın sonuçları, doğru sürtünme modellemesinin analiz doğruluğunu artırırken, deneme-yanılma süreçlerini kısalttığını ve üretim maliyetlerini optimize ettiğini göstermektedir.

In sheet metal forming simulations, the accuracy of analysis results depends heavily on the correct definition of boundary conditions. The friction coefficient, the most critical of these parameters, is generally accepted as a constant value (Coulomb friction model) in industrial applications. However, in parts with complex geometries and variable contact pressures, this approach leads to significant deviations in springback and thinning (tearing) predictions. In this thesis study, using CR4 grade sheet material with a thickness of 0.73 mm, the hypothesis that the friction coefficient is not a constant value but varies depending on surface pressure and part geometry was tested. In the experimental phase of the study, samples were subjected to two different surface pressures, 3 MPa and 5 MPa, via a specially designed experimental setup integrated into an MTS testing machine. Experiments were carried out in reproducible sets to ensure data reliability. In the numerical phase, the experimental conditions were modeled in a virtual environment using Autoform software; pressure distribution and friction outputs were analyzed comparatively. The findings revealed that in the case of flat (unformed) samples, the simulation data and experimental results correlated with high precision. Conversely, in experiments conducted on cross-sections with different forms, simulation results were observed to deviate significantly from experimental data. This study proves that pressure- and geometry-dependent friction coefficients create discrepancies between the ideal conditions modeled by current Finite Element Analysis (FEA) software and actual physical outputs; therefore, the use of more advanced friction models is a necessity. The results of the study demonstrate that accurate friction modeling increases analysis accuracy while shortening trial-and-error processes and optimizing production costs.