Experimental and finite element analysis of residual stresses in cold tube drawing with a fixed mandrel for AISI 1010 steel

Abstract

Bu tezde sabit mandrel ile boru çekme işleminin analizi ve boru cidarı içindeki kalıntı gerilmelerin ölçümleri yapılmıştır. AISI 1010 çelik boruları % 16 ve 23 kesit daralmalarında çekmek için kalıplar tasarlanmış ve mandreller imal edilmiştir. Boru çekme işlemi yağlı olarak zincir tahrikli soğuk çekme makinesi ile etkili bir şekilde gerçekleştirilmiştir. Boru çekme işlemi sırasında karşılaşılan bazı çok yaygın kusurlar, düzensiz (non uniform), istenmeyen malzeme deformasyonlarıdır. Ürünün son kalitesine karar verebilmek için boru cidarı içindeki kalıntı gerilmesini belirlemek oldukça önemlidir. Bu çalışmada, kalıntı gerilmelerini ölçmek için farklı ölçüm metotları kullanılmıştır. Bunun yanında, kalıntı gerilmelerini ölçmek için borunun içinde tabaka kaldırma metodunu (RLM) kulanan yenilikçi bir teknik geliştirilmiştir. Borunun dış ve iç yüzeylerinde oluşan birim deformasyonlar frezede RLM yöntemi kullanılarak borunun iç ve dış yüzeylerinde sırasıyla ölçülmüştür. Tek yönde kalıntı gerilmesini belirlemek için yarma metodu (SM) kullanılırken boru cidarı içinde olduğu gibi, boru iç ve dış yüzeylerinin altında beş konumda kalıntı gerilmesini ölçmek için X-Işını kırınımı (XRD) kullanılmıştır. Yer değiştirmeye karşılık, çekme kuvvetini ve kalıntı gerilmelerini dış yüzeyden iç yüzeydeki bir mesafeye göre belirlemek için simetrik eksenli sonlu eleman modeli (FEM) geliştirilmiştir. Oluşturulan model çekme gerilmesinin azalmasına neden olan optimum çekme parametrelerini belirlemek için de iyileştirilmiştir. Deney sonuçlarının iyi bir uyum içinde olduğu ve boru cidarı içindeki kalıntı gerilmelerini ölçmek için ise RLM metodunun en iyi metot olduğu görülmüştür. Sonuçlar, R=16% ve 23% kesit daralmalarında borunun iç yüzeyinde kalıntı gerilmelerinin tamamen farklı olduğunu göstermiştir.

In this thesis, analysis of tube drawings with a fixed mandrel and residual stress measurements inside the tube wall are made. Dies and mandrels were designed and manufactured to produce AISI 1010 steel tubes at the reduction of areas of R=16% and 23%. Tube drawing was efficiently performed under lubricated conditions by a bench chain-driven cold drawing machine. Some of the most common defects that occur through the cold tube drawing process are non uniform, undesired deformations of the material. Determining residual stress inside the tube wall is quite important in order to decide the final quality of the product. In this study, various measurement methods are utilized to measure residual stresses. Besides a new innovative technique with using removing layer method (RLM) is developed to measure residual stress within the tubular shape. The RLM using milling process is performed on the inner and outer surfaces of the tubes while measuring the developed strains at the outer and the inner surfaces, respectively. The slitting method (SM) is proposed to determine the residual stress in one direction while X-Ray diffraction (XRD) are used to identify residual stresses at five orientations below the inner and the outer surfaces of the tube. A finite element model (FEM) with an axisymmetry is developed to evaluate drawing force vs. displacement and residual stress according to the distance from the outer to the inner surfaces. The FEM is also improved to determine optimum drawing parameters that may lead to minimized drawing stress. The results of the experimental approach are shown to be in good agreement and the RLM is the most appropriate method to measure residual stresses inside the tube wall. The results showed that residual stresses present inside the tube wall are completely different for R=16% and 23%