Ultrasonically assisted deep drawing process on servo crank press

Abstract

Bu tezde, soğuk haddelenmiş düşük karbonlu DC04 ve DC01 çelik levhalarda servo krank preste geleneksel ve ultrasonik destekli derin çekme işlemi üzerine nümerik ve deneysel bir araştırma sunulmaktadır. Bu amaçla, yeni bir kalıp sistemi tasarlanmış ve imal edilmiştir. Bu sistemde, baskı plakası üzerine sabit yüksek frekansta ve değişken genlikte eksenel titreşimler uygulanmaktadır. Sistemi oluşturan ultrasonik ekipmanlar, harmonik analizler kullanılarak tasarlanmış ve seçilmiştir. Pres koçunun hareketinde krank ve yumuşak hareket profilleri kullanılmıştır. Çekme testleri ile levhaların anizotropi özellikleri belirlenmiştir. Nümerik modellerde Keeler Brazier yaklaşımına göre belirlenen Şekillendirme Sınır Diyagramı kullanılmıştır. Zamana bağlı yapısal ve şekillendirme modellerinden oluşan iki aşamalı nümerik analizler gerçekleştirilmiştir. Analizlerden elde edilen harmonik temas kuvveti, şekillendirme sırasında baskı plakasına etkiyen kuvvet olarak kullanılmıştır. Farklı proses şartları altında gerçekleştirilen deney sonuçları, nümerik sonuçlarla uyumludur. Titreşim genliği, baskı plakası önyüklemesi, hareket profili veya malzeme kondisyonundan bağımsız olarak ultrasonik titreşimlerin uygulanmasının, çekilen kupaların Sınır Çekme Oranı (SÇO) ile kupa derinliğini arttırdığı ve şekillendirme yükü ile kırışıklık oluşumunu ciddi oranda azalttığı gözlemlenmiştir. Bu sayede, daha az şekillendirme yükü altında kırışıklığı azaltılmış kupaların çekilebilmesi ve SÇO'nun %17'ye ve kupa derinliğinin %50'ye kadar artırılması mümkün olmuştur.

This thesis presents numerical and experimental investigation on conventional and ultrasonically assisted deep drawing process using servo crank press on cold-rolled low carbon steel sheets of DC04 and DC01 conditions. For this purpose, a novel die system was designed and constructed. This system allows application of axial vibrations of varying amplitudes at constant high frequency onto the blank holder. Steady state harmonic analyses were utilized to design and select the equipment used in ultrasonic system. Crank and soft motions of the press ram were employed. Anisotropy characteristics of sheets were determined by uniaxial tensile tests. Forming Limit Diagram based on Keeler Brazier empirical relation was used in numerical models. Two-stage Finite Element Model was built consisting of transient structural and material forming models. Harmonic fluctuation of contact forces obtained from transient analyses was utilized as blank holder force in forming model. Results of series of experiments carried out under various processing conditions were in good agreement with numerical results. It was evident that applying ultrasonic vibrations during deep drawing significantly improves Limiting Drawing Ratio and depth of drawn cups as well as reduces forming load and wrinkling formation, regardless of vibration amplitude, blank holder preload, motion scenario, or material condition. Increasing LDR by up to 17% and cup depth by up to 50% with noticeable reduction in forming load and wrinkling was possible with use of vibrations.