MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ
İ
İ
M
M
A
A
L
L
A
A
T
T
Y
Y
Ö
Ö
N
N
T
T
E
E
M
M
L
L
E
E
R
R
İ
İ
Prof. Dr. Mehmet Baki KARAMIŞ
Mart 2005
▸ Baca selengkapnya: köşe kaynağı gösterimi
(2)Sunuş
İnsanoğlu yaratılışından bu yana hayatını kolaylaştırmak için taş, metal, ahşap gibi çok çeşitli malzemelere şekiller vererek alet, ekipman ve makinalar yapmıştır. Malzemelerin özelliğine göre şekillendirme yöntemi uygulanmış yani; taş yontulmuş, demir dövülmüş yada dökülmüş ve ahşap yontularak şekillendirilmiştir.
Teknolojinin gelişmesi ve gerekleri yeni malzemelerin geliştirilmesini zorlamış ve bu malzemelerin kullanılabilir bir şekle sokulması için daha modern ancak temelde dökme, birleştirme, talaş kaldırarak işleme ve dövme, eğme, bükme, çekme gibi plastik şekillendirme metotları geliştirilmiş ve uygulanmıştır. Mühendislik malzemeleri olarak adlandırılan metal veya metal dışı tüm malzemeler döküm, kaynak, talaşlı veya plastik şekillendirme yöntemlerinden biri veya birkaçının birden uygulanması ile mühendislik ürünleri haline dönüşürler veya bu ürünlerin bir araya getirilmesiyle bir sistemin yapımında yer alırlar.
Döküm, şekillendirmede ilk işlem olarak ortaya çıkar. Yani bir malzeme temelde ergitme ve tekrar katılaştırma işlemlerinden mutlaka geçmiştir. Bu bakımdan temel bir işlem olan döküm çok değişik metotlarla pek çok malzemenin şekillendirilmesinde kullanılan bir imalat yöntemidir.
Dökülmüş bir malzeme, doğrudan kullanılabileceği gibi (mamul) üzerinden çeşitli takımlarla talaş kaldırılmak suretiyle veya dövülerek yada bir başka parçayla kaynatılarak istenilen şekle getirilebilir. Bu durumda dökülmüş malzeme yarı mamul haldedir.
Kaynak işlemi, aynı cinsten iki veya daha fazla malzemeyi ergitmek veya ergitme olmaksızın basınç ve ısı yardımıyla, atomsal mertebede birleştirme işlemi şeklinde bir imal usulüdür. Yani, bir bakıma ergitme kaynağı bölgesel dökümdür. Talaşlı imalat yarı mamul bir malzeme üzerinden talaş kaldırmak suretiyle gerçekleştirilen bir başka imalat yöntemidir. Bu kitabın konusu dışında düşünülmüştür.
uygulanan kuvvetler etkisiyle belirli ve istenilen şekle getirmeye yarayan bir imalat yöntemidir. Bu temel imal usulleri kendi içlerinde çok çeşitli ve değişik metotları barındırırlar. Bir malzemenin istenilen şekle sokulması için hangi imal usullerinin seçileceği o malzemenin mekanik, fiziksel kimyasal özelliklerine ve metalürjik davranışına bağlı olduğu kadar şekillendirme sonrası kazanılması istenen özelliklerle de yakından ilgilidir. Birkaç yöntemle imalatı mümkün olan bir parça için uygun yöntemi seçmede ekonomiklik, kalite ve o parçanın çalışma şartları en etkili faktörlerdir. Bu seçimi isabetli bir şekilde yapmak ise tüm imalat yöntemlerini ve uygulanışını bütünüyle bilmekten geçer. Yani dizayn mühendisinden kullanıcıya kadar ara kademede bulunan tüm mühendislerin temel ve özel imalat yöntemlerini ve mamule etkilerini bilmesi kaliteli, ekonomik ve iyi pazarlanabilir bir imalat için şart görülmelidir.
Mühendislik fakültelerinin ilgili bölüm öğrencilerine, uygulamada çalışan mühendis ve imalat yapanlara yönelik hazırlanan bu kitap, tüm temel imalat yöntemleri ile bunların değişik metotlarını fazla detaya inmeden sunmayı amaçlamaktadır.
Döküm, kaynak ve plastik şekillendirme yöntemleri adı altında üç temel bölümden oluşan kitapta, bu yöntemlerin özel uygulamaları da verilmiştir.
İlgili öğrenci ve mühendislerin kolayca anlayabileceği ve hatta uygulayabileceği sadelikte hazırlanmaya çalışılan bu eserin beklenen faydayı sağlayacağı umuduyla yapıcı tenkit ve uyarılarınızı bekler; eserin hazırlanmasında yardımcı olan Araştırma görevlileri Kemal YILDIZLI ve Fehmi NAİR’e teşekkürler eder, sabır ve anlayışlarından ötürü aileme de şükranlarımı sunarım.
Mart 2005
Prof. Dr. M. Baki KARAMIŞ Erciyes Üniversitesi, Mühendislik Fak. Makina Müh. Bölümü, 38039 Kayseri
İÇİNDEKİLER
BÖLÜM-I
DÖKÜM TEKNİĞİ
Sayfa
1.Giriş ………...……… 1
2.Döküm İşleminde Göz Önünde Bulundurulması Gereken Faktörler……….. 2
3.Metallerin Katılaşması ……….. 3 3.1. Saf Metaller……… 3 3.2. Alaşımlar ………... 6 3.3. Katılaşma Zamanı ………. 9 3.4. Katılaşmayı Yönlendirme……….. 11 4. Döküm Prosesleri ………. 14 4.1. Sürekli Döküm……….. 16 4.2. Kum Kalıba Döküm……….. 17
4.2.1. Kalıp Kumları ve Kontrolü ……… 17
4.2.2. Modeller………. 22
4.2.2.1. Model Malzemeleri ……… … 23
4.2.2.2. Model Payları……….. … 24
4.2.2.3. Model Çeşitleri ………... 27
4.2.2.4. Modellerin Renklerle Kodlanması ………. 32
4.2.3. Kum Kalıbın Hazırlanması ……… 33
4.2.3.1. El ile Kalıplama ……….. 33
4.2.3.2. Makine ile Kalıplama……….. 37
4.2.4. Maçalar ve Maça Yapımı ……….. 40
4.2.5. Sıvı Metalin Kalıp Boşluğuna Girişinin Kontrolü ve Yolluk Sistemleri……. 45
4.2.5.1. Yolluk Sistemleri………. 46
4.2.5.1.1. Yolluk Sistemi Oranları ………... 53
4.2.5.1.2. Basınçlı ve Basınçsız Yolluklar……… 55
4.2.5.1.3. Bernoulli Teoremi……… … 56
4.2.5.1.4. Yolluktan Akan Metal Miktarı………. 57
4.2.5.1.5. Isı Akışı ……… 58
4.2.5.2. Çıkıcılar ……….. 58
4.2.5.3. Sıvı Metalin Akıcılığı………... 61
5.Kabuk Kalıba Döküm………... 62
6.Dolu Kalıp Prosesi……… 64
7.Sürekli Kalıba Döküm Yöntemleri………... 65
7.1. Demirdışı Malzemelerin Sürekli Kalıba Dökümü ……… 65
8.Basınçlı Döküm………. 67
8.1. Metal Kalıba Döküm………. 67
9.Savurma Döküm……… 74
Sayfa 11. Alçı Kalıba Döküm……... 77 12. Seramik Kalıba Döküm………... 78 13. Mum Modelli Döküm……….. 78 14. Özel Döküm Prosesleri ……….. 84 14.1. Vakumla Kalıplama ………. 84
14.2. Buzlu Kalıp Yöntemi ………... 85
14.3. Bozulan Grafit Kalıp Yöntemi ……… 85
14.4. Sünger Kalıp Yöntemi………. 85
14.5. Elektromagnetik Döküm Yöntemi………... 85
15. Ergitme ve Dökme……….. 86
15.1.Ergitme ………. 87
15.2. Kupol Ocakları……… . 90
15.2.1.Kupol İçin Harman Hazırlamak………. 90
15.3. İndirekt Yakıt Alevli Fırınlar……….. . 92
15.4. Havalı veya Direkt Yakıt Alevli Fırınlar………. 93
15.5. Ark Fırınları………. 93
15.6. İndüksiyon Fırınları…... 94
15.7. Döküm Pratiği……….. 95
15.8. Vakumda Ergitme ve Dökme ……….. 96
16. Döküm Parçaların Temizlenmesi ve Isıl İşlemleri ………. 97
16.1. Dökümlerin Temizlenmesi………. . 97
16.2. Dökümlerin Isıl İşlemleri………. 98
17. Döküm Parçaların Dizaynında Dikkate Alınacak Hususlar……… 98
18. İngotların Dökümü………. . 112
18.1. Doymuş Çelik………... 113
18.2. Yarı Doymuş Çelik………. . 114
18.3. Yüzeyde Gaz Deliği İhtiva Eden Çelik……….... 114
18.4. Özellikler………... 114
19. Kristal Büyütme: Yönlü Katılaştırma ve Tek Kristal………... 115
20. Döküm Alaşımları……… 116
20.1. Demirdışı Döküm Alaşımları……… 119
20.1.1. Alüminyum Esaslı Alaşımlar………. 119
20.1.2. Magnezyum Esaslı Alaşımlar ………... 119
20.1.3. Bakır Esaslı Alaşımlar………... 119
20.1.4. Çinko Esaslı Alaşımlar………... 120
20.1.5. Nikel ve Kobalt Esaslı Alaşımlar……….. 120
20.2.Çelikler……….. 120
20.3. Dökme Demirler……….. 120
20.3.1. Kır Dökme Demir………. 121
20.3.2. Beyaz Dökme Demir ……… 122
20.3.3. Temper Dökme Demir ……… . 122
20.3.4. Küresel Grafitli Dökme Demir ……… 122
BÖLÜM-II
KAYNAK TEKNİĞİ
Sayfa
1. Bağlama ve Birleştirme İşlemleri………... 125
1.1.Giriş……….. 125
2.Mekanik Birleştirme Metotları………. 125
2.1. Perçinleme……….... 126
2.2 Delik Hazırlama……….... 126
2.3. Diğer Mekanik Birleştirme İşlemleri………... 128
2.4. Bağlayıcılardaki Problemler……….... 129
3.Kaynak İşlemleri……….. 130
3.l.Giriş……… 130
3.2. Kaynak İşlemlerinin Sınıflandırılması………. 131
3.3. Katı Fazda Birleştirme………. 132
3.3.1. Soğuk Kaynak……… 134
3.3.2. Patlamalı Kaynak………... 135
3.3.3. Ultrasonik Kaynak………... 136
3.3.4. Dövme Kaynağı………. 138
3.3.4.1.Dövme Dikiş Kaynağı……….... 139
3.3.5. Difüzyon Kaynağı………. 139
3.3.6. Sürtünme Kaynağı………. 140
3.4. Sıvı Fazda Kaynak İşlemleri………. 143
3.4.1. Kimyasal Enerji Kullanan Kaynak İşlemleri………. 143
3.4.l.l.Gaz Kaynağı……….. 143
3.4.1.1.1. Kullanımı, Avantaj ve Dezavantajları………. 146
3.4.1.1.2.Gaz Ergitme Kaynağında İşlem Karakteristikleri……… 147
3.4.1.1.3. Basınçlı Gaz Kaynağı……….. 149
3.4.1.2. Termit Kaynağı……….. 149
3.4.2. Elektrik Enerjisi Kullanan Kaynak Prosesleri………... 150
3.4.2.1. Ark Kaynağı……… 151
3.4.2.1.1. Örtülü Elektrotla Ark Kaynağı……… 155
3.4.2.1.2. Tozaltı Ark Kaynağı……… 162
3.4.2.1.3. Gazaltı Ark Kaynağı……… 165
3.4.2.1.4. Özlü Elektrotla Ark Kaynağı………... 167
3.4.2.1.5. Elektrocüruf Kaynağı……….. 167
3.4.2.1.6. Ergimeyen Elektrotlarla Ark Kaynağı………. 170
3.4.2.1.6.1. Gaz-Tungsten Ark Kaynağı (TIG)………... 170
3.4.2.1.6.2. Gaz-Tungsten Nokta Kaynağı……….. 172
3.4.2.1.6.3. Plazma Ark Kaynağı……….... 173
3.4.2.1.6.4. Ark Alın Kaynağı………. 174
Sayfa
3.4.2.1.6.6. Pim ve Saplama Kaynağı……… 175
3.4.2.1.7. Ark Kaynağının Avantaj ve Dezavantajları………... 176
3.4.2.1.8. Ark Kaynağı için Güç Kaynakları………. 177
3.4.2.1.9. Ergitme Kaynağı Çeşitleri………... 178
3.4.2.2. Elektrik Direnç Kaynağı………... 180
3.4.2.2.1. Direnç Kaynağı Teorisi………... 180
3.4.2.2.2. Isıtma……….. 180
3.4.2.2.3. Basınç………. 182
3.4.2.2.4. Akım Kontrolü………... 183
3.4.2.2.5. Güç Kaynakları……….. 183
3.4.2.2.6. Direnç Kaynağı İşlemleri……… 184
3.4.2.2.6.1. Nokta Kaynağı………. 184
3.4.2.2.6.1.1. Profil Nokta Kaynağı……… 184
3.4.2.2.6.1.2. Nokta Kaynak Makinaları………. 186
3.4.2.2.6.1.3. Nokta Kaynağı Yapılabilir Metaller………. 187
3.4.2.2.6.2. Direnç Dikiş Kaynağı……….. 187
3.4.2.2.7. Direnç Kaynağının Avantaj ve Dezavantajları………... 190
3.4.3. Optik Enerji Kullanan Kaynak Metotları………. 190
3.4.3.1. Elektron Işın Kaynağı……… 190
3.4.3.2. Lazer Işın Kaynağı………. 192
4.Sıvı ve Katı Fazda Birleştirme………. 194
4.1.Giriş……….. 194
4.2. Sert Lehimleme……… 194
4.2.1. Lehim Malzemeleri………... 196
4.2.1.2. Tozlar………. 199
4.2.1.3. Sert Lehimlemenin Uygulanması………... 200
4.2.1.4. Lehimlemede Kullanılan Isıtma Metotları………. 201
4.2.1.5. Toz Giderme………... 203
4.2.1.6. Tozsuz Lehimleme………. 203
4.2.1.7. Lehimlenecek Birleştirmelerin Dizaynı………. 204
4.2.1.8. Lehim Kaynağı………... 205
4.2.1.9. Lehimlenmiş Bağlantıların Tabiatı ve Mukavemeti………... 205
4.3. Yumuşak Lehimleme……… 206
4.3.1. Lehim Metalleri………. 206
4.3.2. Lehimleme Tozları……… 206
4.3.3. Lehimleme için Isıtma……….. 207
4.3.4. Lehimlenecek Bağlantıların Dizaynı ve Mukavemeti……….. 208
4.3.5. Toz Giderme………. 208
5.Yüzey Kaplama İşlemleri……… 208
5.1. Giriş……….. 208
5.2. Kaplama Malzemeleri……….. 208
5.3. Yüzey Kaplama Metotları ve Uygulanması………. 208
5.3.1. Metal Püskürtme……… 209
Sayfa
5.3.1.2. Püskürtülen Metallerin Özellikleri………. 211
5.3.1.3. Metal Püskürtme Uygulamaları………. 211
6. Alevle Düzeltme………. 212
7. Plastiklerin Kaynağı……… 212
8. Metal Kesme Yöntemleri……… 213
8.1. Torc ve Arkla Kesme……….. 213
8.1.1. Oksijen Torcuyla Kesme……….. 214
8.1.2. Arkla Kesme………. 216
8. Karbon Ark ve Korumalı Metal Arkı ile Kesme………. 216
8.1.2.2. Oksijen ile Kesme………...….. 216
8.1.2.3. Hava ve Karbon Arkı ile Kesme………... 216
8.1.2.4. Gaz-Metal Arkı ile Kesme……… 217
8.1.2.5. Gaz-Tungsten Arkı ile Kesme………... 217
8.1.2.6. Plazma Arkı ile Kesme………... 217
8.1.3. Lazer Işını ile Kesme……… 218
8.2. Metalürjik ve Isı Açısından Dikkate Alınacak Hususlar………. 219
9. Kaynak ve Kesmede Potansiyel Problemler………... 220
9.1. Giriş………. 220
9.2. Dizaynda Dikkate Alınacak Hususlar………... 220
10. Kaynak Metalürjisi………... 221
10.1. Isının Tesiri Altında Kalan Bölge………. 224
10.2. Termal Gerilmeler………. 226
10.2.1. Termal Gerilmelerin Etkileri……….. 228
10.2.2. Gerilme Giderme……….... 229
10.2.3. Kaynak Hataları………. 230
11. Kaynak Kabiliyeti……….... 234
11.1. Ergitme Kaynağında Kaynak Kabiliyeti………... 234
11.2. Elektrik Direnç Kaynağında Kaynak Kabiliyeti………... 237
12.Yapıştırma………. 243
12.1.Giriş……… 243
12.2. Yapıştırma Malzemeleri ve Özellikleri………... 243
12.3. Birleşme Dizaynı ve Hazırlama……….... 244
BÖLÜM-III
PLASTİK ŞEKİLLENDİRME
Sayfa
1.Giriş……… 248
2.Metal Şekillendirmeye Etki Eden Faktörler………... 249
2.1. Bağımsız Değişkenler………. 249
2.2. Bağıl Değişkenler……… 251
2.3. Metal Şekillendirmede Zorluklar……… 251
2.4. Genel Parametreler……….. 253
2.5. Metal Şekillendirme Sırasında Sürtünme ve Yağlama……… 254
2.6. Sıcaklık Faktörü……….. 256
3. Sıcak Şekillendirme……… 256
3.1. Sıcak Şekillendirmenin Tanımı……….. 256
3.2. Sıcak Şekillendirme Sırasında Tane Değişimi………... 257
3.3. Sıcaklık Değişimi………... 258
4. Soğuk Şekillendirme……….. 258
4.1. Soğuk Şekillendirme ve Metal Özellikleri Arasındaki İlişkiler………. 260
4.2. Soğuk Şekillendirme İçin Metallerin Hazırlanması………... 261
5.Yarı Sıcak Şekillendirme……… 261
6.Metal Şekillendirme İşlemleri……… 262
6.1. Dövme………... 262
6.1.1. Serbest Dövme ve Basma İşlemleri………. 264
6.1.1.1. Açık Kalıpta Dövme………. 264
6.1.1.2. Serbest Dövmede Şekil Değişimi………. 264
6.1.1.3.Yığma………... 267
6.1.1.3.1.Kuvvetler ve Deformasyon İşi……… 267
6.1.1.3.2.Tek Eksenli Şekil Değiştirme Halinde Dikdörtgen Kesitli İş Parç. Şişirilmesi 269 6.1.1.3.3.Katı Silindirin Yığılması………. 270
6.1.1.4. Yapışma……….. 270
6.1.2. Kalıpta Dövme-Basma……….. 274
6.1.2.1. Kapalı Kalıpta Dövme……….... 274
6.1.2.2. Kuvvetler……… 277
6.1.2.3. Hassas Dövme……… 279
6.1.2.4. Kabartma……… 280
6.1.2.5. Preste Dövme………. 280
6.1.3.Şişirme……… 281
6.1.4.Otomatik Sıcak Dövme………... 283
6.1.5.Çeşitli Sıcak Dövme Operasyonları……….. 283
6.1.5.1.Baş Yapma………. 285
6.1.6. Kesme………... 287
Sayfa
6.1.7.1. Delme ve Boşaltma Kalıpları……… 290
6.1.8. Oyma……… 293
6.1.9. Delme ve Boşaltma İçin Uygun Dizayn………... 293
6.1.10. Çentme……… 294
6.1.11. Kenetleme………... 295
6.1.12. Merdane ile Dövme……… 295
6.1.13. Eğik Haddeleme………. 296
6.1.14. Sabit Sıcaklıkta Dövme……….. 297
6.1.15. Eğik Eksenli Dövme……….. 297
6.1.16. Daraltma………. 298 6.1.17. Dövme Kalıpları………. 299 6.1.17.1. Kalıp Dizaynı……….. 299 6.1.17.2. Kalıp Malzemeleri………... 303 6.1.17.3. Yağlama……….. 321 6.1.18. Dövülebilirlik………. 324
6.1.18.1. Çeşitli Metallerin Dövülebilirliği……….... 325
6.1.18.2. Dövme Sıcaklığı……….. 326
6.1.18.3. Hidrostatik Basıncın Dövülebilirliğe Etkisi……… 326
6.1.19. Dövme Hataları……….. 326
6.1.20. Dövme Ekipmanları………... 328
6.1.20.1. Mekanik Presler……….. 329
6.1.20.2. Hidrolik Presler………... 330
6.1.20.3. Pedallı Presler………. 331
6.1.20.4. Pres Gövde Tipleri……….. 332
6.1.20.5. Özel Presler………. 332
6.1.20.6. Prese Malzeme Verme……… 333
7. Haddeleme………. 334
7.1. Soğuk Haddeleme………... 335
7.1.1.Yığma, Konikleştirme ve Fatura Yapma……….. 335
7.2. Düz Haddeleme……….. 336
7.3. Kuvvetler ve Gerilme………. 337
7.4. Moment ve Güç İhtiyacı………. 339
7.5. Sıcak Haddeleme……… 341
7.5.1. Haddeleme Tesisatları………. 341
7.5.1.1. Sıcak Haddeleme Kuvvetleri……… 343
7.6. Sürtünme……… 344
7.7. Ön ve Arka Germe………. 344
7.8. Merdane Eğilmesi………... 345
7.9. Düz Hadde Pratiği……….. 346
7.10. Haddelenmiş Mamüllerde Hatalar……… 347
7.11. Sıcak Haddelenmiş Mamüllerin Kalitesi ve Özellikleri………... 348
7.12. İç Gerilmeler………. 348
7.14. Çeşitli Haddeleme prosesleri………... 351
7.14.1. Kontrollü Haddeleme……….. 351
7.14.2. Profil Haddeleme………. 351
7.14.3. Halka Haddeleme………. 352
7.14.4. Vida ve Dişli Haddeleme………. 353
7.14.5. Dönel Boru Delme………... 355
8. Ekstrüzyon………... 356
8.1. Ekstrüzyonda Metal Akışı………. 358
8.2. Kuvvetler……….. 359
8.3. İdeal Deformasyon ve Sürtünme……….. 360
8.4. Gerçek Kuvvetler………. 362
8.5. Optimum Kalıp Açısı………... 362
8.6. Sıcak Ekstrüzyonda Kuvvetler………. 364
8.7. Ekstrüzyon Pratiği……….... 366
8.8. İçi Boş Parçaların Ekstrüzyonu……… 367
8.9. Sıcak Ekstrüzyon………. 368 8.9.1. Merdaneli Ekstrüzyon………... 368 8.10. Yağlama………. 369 8.11.Kalıplar……… 369 8.12. Soğuk Ekstrüzyon……….. 371 8.13. Fışkırtma Ekstrüzyon……… 372 8.14. Hidrostatik Ekstrüzyon……….. 373 8.15. Ekstrüzyon Hataları………... 374 8.15.1. Yüzey Çatlakları………. 374 8.15.2. Yüzey Hatası………... 374 8.15.3. İç Çatlaklar……….. 375 8.16. Ekstrüzyon Ekipmanları………. 376
9. Sac ve Plakaların Derin Çekilmesi……….. 377
9.1. Sıcak ve Soğuk Sıvama……… 380
9.1.1. İncelterek Sıvama……….. 381
9.1.2. Germe……… 382
9.1.3. Kabartma………... 383
9.2. Dikişli Borular……….. 383
9.2.1. Alın Kaynaklı Borular………... 383
9.2.2. Bindirme Kaynaklı Borular………... 384
9.3. Delme……… 384
9.4. Sac Şekillendirmede Dizayn Hataları………... 385
10. Çubuk ve Tel Çekme……….… 385
10.1. Yuvarlak Kesitlerin Çekilmesi……… 386
10.1.1. Çekme Kuvvetleri ve Gerilmeler………... 386
10.1.2. İdeal Deformasyon………... 386
10.1.3. İdeal Deformasyon ve Sürtünme………. 387
10.1.4. Deformasyon Fazla İşi………. 388
10.1.5. Kalıp Basıncı……… 388
10.1.6. Yüksek Sıcaklıklarda Çekme………... 390
10.1.8. Bir Geçişte(Pasoda) Maksimum Kesit Azalması……… 391
10.2. Düz Şeritlerin Çekilmesi……….... 393
10.3. Boruların Çekilmesi……… 393
10.4. Çekme Pratiği………... 394
10.5. Kalıp Dizaynı ve Malzemeler……….. 395
10.5.1. Ekipman……… 395
10.6. Kalıplar……… 396
10.7. Yağlama………... 397
10.8. Hatalar ve İç Gerilmeler……….. 397
11. Soğuk Şekillendirme ile Yüzey İyileştirme………. 398
12. Eğme……… 399
12.1. Eğme Açısı………... 399
12.2 Eğme İçin Dizayn………... 400
12.3. Merdane ile Eğme………. 401
12.4. Çekme ve Basma ile Eğme………... 401
13. Metal İşlemede Takım ve Kalıp Hataları………. 402
BÖLÜM I
D
1.GİRİŞ
Malzemeleri çeşitli yollarla işleyerek, kullanım amacına uygun yapı ve özelliğe sahip son şekline dönüştürmek için uygulanan bilim ve teknolojiye şekillendirme prosesi denir. Daha basit olarak proses maddeyi eşyaya dönüştürme işlemidir. İstenen şeklin oluşturulması prosesin ana gayesidir. Tarihi M.Ö. 4000 yılına dayanan ve bu amacı gerçekleştirmek için uygulanan en tanınmış yöntem dökümdür. Bu bakımdan döküm tekniği süs eşyası ve fonksiyonel parçaların imalatında kullanılan en eski yöntemler arasında sayılır.
Döküm işleminde, katı bir malzeme uygun bir sıcaklığa ısıtılarak ergitilir ve istenen kimyasal bileşimi elde etmek için çeşitli işlemlere tabi tutulur. Genellikle metal olan ergimiş bu malzeme daha sonra bir boşluğa dökülür. Dökülen metal bu boşluğun şeklini alarak katılaşır. Bu boşluk imal edilmek istenen parçanın şekline ve kaba ölçüsüne sahip bir boşluk olabilir. Kalıp denilen bu boşluğu, ergitilebilen herhangi bir metalle doldurup içinde katılaşmasını sağlayarak basit veya karmaşık şekiller imal edilebilir. Böylece arzu edilen çalışma şartlarına uygun, en iyi özellik ve görünümle her türlü parçalar elde edilebilir. Döküm işlemiyle parçaların iç ve dış şekillerini aynı anda elde etmek mümkündür. Diğer imalat yöntemleriyle yapılması çok zor ve pahalı olan çok büyük ve karmaşık parçalar uygun döküm teknikleri kullanılarak ekonomik şekilde üretilebilir.
Hemen hemen bütün malzemeler istenen son şekil ve ölçüye uygun olarak dökülüp ilave işlemler ve malzeme kaybı azaltılabilmesi yanında proses metal parçaların imalatında önem arzeder. Bu bakımdan bu bölümde sadece metal malzemelerin dökümü incelenecektir. En çok dökülen metaller; demir, çelik, alüminyum, pirinç, bronz, mağnezyum ve bazı çinko alaşımlarıdır. Döküm parametrelerinin uygun bir şekilde kontrolü ile tamamen üniform özellikte parçalar elde edilebilir. Yukarıda sayılan malzemelerden demir, düşük büzülmesi, iyi akıcılığı, mukavemeti, rijitliği ve kolay kontrolü nedeniyle döküm için en uygun malzemedir. Dövme gibi diğer şekillendirme işlemleri ile mukayese edildiğinde, dökümün en büyük dezavantajı düşük süneklik ve mukavemetinin yanında dökülen malzemede boşluklar bulunma ihtimalidir. Dökümle imal edilen parçalar çok çeşitlilik arzeder. Bir fermuar dişi gibi boyutları birkaç milimetre ve birkaç gram ağırlıktaki parçalardan 10 metre veya daha fazla boyutlu ve 300 ton ağırlığa kadar çok büyük gemi pervanesi gibi parçalar rahatlıkla dökülebilir. Karmaşık şekilli, içi boş veya boşluklu kesite sahip parçalar, düzensiz eğri yüzeye sahip parçalar (ince sac metalden yapılanlar hariç), çok büyük ve işlenmesi zor olan metalden yapılacak parçaların belli avantajlar ve belli kolaylıklarla dökülmesi işlemin önemli
avantajlarındandır. Bu belli avantajlar nedeniyle döküm, imalat yöntemlerinin en önemlilerinden biridir. Dökümün Amerika Birleşik Devletlerinde 4500 şirket bazında en büyük altıncı endüstri olduğu bilinmektedir.
Bugün mevcut döküm yöntemlerinin biri veya birkaçı vasıtasıyla hemen hemen herşeyi dökmek mümkündür. Makina gövde ve iskeletleri, yapı ve makina elemanları, motor blokları, krank milleri, pistonlar ve diğer bazı otomotiv elemanları, boru ve vanalar, demiryolu elemanları, heykel ve süs eşyası gibi cisimler dökümle üretilebilen parçalara tipik örnekler teşkil ederler.
Yukarıda sayılan bu makina ve sistem elemanları gibi mühendislik parçalarının imal edilmesi için uygulanan döküm yöntemlerinin prensipleri sırası geldikçe açıklanacaktır.
2-DÖKÜMDE GÖZ ÖNÜNDE BULUNDURULMASI GEREKEN FAKTÖRLER
Döküm yönteminin başarısı ve kaliteli parça üretmek için belli temel konuların iyi anlaşılması ve kontrolü gereklidir. Bunların en önemlisi metallerin katılaşma mekanizmasıdır. Diğer önemli aşamalar ise kalıp hazırlama, ergitme ve dökme, temizleme ve kalite kontrolüdür. Diğer imalat proseslerinde olduğu gibi dizayncı,döküm yöntemini iyi anlar ve dizayn edeceği parçaya en uygun yöntemi seçerse en iyi neticeyi elde ederek ekonomi sağlayabilir. Bütün döküm yöntemlerinde altı temel faktör mevcuttur. Bunlar aşağıdaki gibi sıralanabilir:
1 -Metal katılaşırken büzülmesine müsaade edecek, arzu edilen şekil ve boyuta sahip bir kalıp boşluğu yapılmalıdır. Bitirilmiş parçada bulunması gereken her hangi bir detay kalıpta mevcut olmalıdır. Yani kalıp iyi şekillendirilebilme özelliğine ve ergimiş metalden önemli derecede etkilenmeyecek şekilde refraktör özelliğe sahip olmalıdır. Ya her bir döküm için yeni bir kalıp hazırlanır veya “sürekli kalıp” olarak isimlendirilen ve çok sayıda döküm için kullanılmaya dayanıklı olan bir malzemeden kalıp yapılır. Hassas ve ekonomik parçalar üretebilmek için metal veya grafitten yapılan sürekli kalıplarla tek kullanımlı kalıpları yapmak için önemli gayret sarfetmek gerekmektedir.
2 -Dökülecek metali ergitmek için sadece uygun sıcaklık değil aynı zamanda kaliteli ve düşük maliyetli ergitme sağlayacak uygun bir vasıta mevcut olmalıdır.
3 -Ergimiş metal, kalıptaki sıcak metalin reaksiyonu ile meydana gelen veya dökümden önce kalıpta bulunan bütün hava veya gazları dışarı atacak ve kalıbı tamamen dolduracak şekilde
kalıba gönderilmelidir. Kaliteli bir döktüm hava boşlukları gibi hatalardan uzak ve tok olmalıdır.
4 -Metal katılaştıktan sonra soğuma ile meydana gelen büzülmeye kalıbın aşırı şekilde karşı koymaması için düzenlemeler yapılmalıdır. Aksi takdirde parçada çatlamalar meydana gelebilir. Ayrıca parçanın dizaynı sırasında katılaşma şartları ve kendini çekme (büzülme), çatlak, iç boşluk veya süreksizlik oluşma şartları dikkate alınmalıdır.
5 -Döküm parça kalıptan kolayca çıkarılabilmelidir. Her dökümden sonra bozulan kum kalıplarda bu konuda ciddi bir zorluk yoktur. Fakat sürekli kalıpların kullanıldığı belli proseslerde kalıptan çıkarma önemli problemlerdendir.
6 -Boşluğa, sıcak metali dökme nedeniyle parça kalıptan çıkarıldıktan sonra yüzeye yapışmış veya metal tarafından kalıptan koparılmış gereksiz malzemeleri temizlemek için yüzey temizleme işlemine ihtiyaç duyulabilir.
Döküm endüstrisindeki gelişmelerin çoğu ekonomi ve bu altı konu üzerinde yoğunlaşmakta- dır.
3 - METALLERİN KATILAŞMASI
Sıvı metal bir kalıba boşaltıldığı ve soğumasına müsaade edildiğinde karmaşık birçok olaylar meydana gelir. Katılaşmayı etkileyen önemli faktörler; metalin çeşidi (saf veya alaşımlı olması),termal özellikleri (özgül ısı ve ısıl iletkenliği), sıvı metalin yüzey alanı ve hacmi arasındaki geometrik ilişki, kalıbın şekli ve malzemesi olarak sıralanabilir.
3.1- Saf Metaller
Saf metaller net bir şekilde ergime veya katılaşma sıcaklıklarına sahip olduklarından katılaşma sabit bir sıcaklıkta meydana gelir (Şekil 1). Sıvı metalin sıcaklığı katılaşma noktasına düştüğü zaman gizli ısısı nedeniyle sabit kalır. Bu çevrimin sonunda katılaşma tamamlanır ve katılaşan metal soğumaya başlar.
Şekil 1 - Saf metallerin soğuma eğrisi
Kalıp - sıvı metal arayüzeyindeki tipik bir sıcaklık dağılımı Şekil 2’de gösterilmiştir. Isı, sıvı metalden çevreye kalıp duvarını kat ederek geçer. Çevre-kalıp ve kalıp-metal arayüzeylerindeki sıcaklık bir başka ara tabaka ve temas süreksizliği nedeniyle düşer.
Eğrinin şekli kalıp malzemesinin termal özelliklerine bağlıdır. Saf bir dökme metalin tane yapısı Şekil 3 (a)’da görülmektedir. Kalıp duvarlarında soğuma nedeniyle ince ve eş eksenli tanelerden bir film meydana gelir. Soğuma devam ettiği için sütun şeklinde taneler oluşur (dentritler). Bu taneler kalıp cidarından başlayarak kütle merkezine doğru yönlenmiş olduklarından kolon şeklindedirler. Böylece gelişen tercihli yönlenmeleri ile farklı doğrultularda yönelmiş taneler birbirini bloke ederler (Şek.4). Meydana gelen tanelerin büyüklük ve dağılımı, yön ve ısı geçiş hızına bağlıdır. Isı geçişinin tane büyüklüğü üzerinde kuvvetli bir etkiye sahip olduğu ve ısı geçişinin azalması ile katılaşan malzemenin tane boyutunun büyüdüğü deneylerle tespit edilmiştir.
Şekil 2 - Dökülen metallerin Katılaşması sırasında kalıp cidarı ve sıvı metal arayüzeyinde sıcaklık dağılımı
Şekil 3 - Kalıba dökülmüş metallerin değişik iç yapı şekilleri (şematik)
(a) - Saf metaller, (b) - katı çözelti alaşımlar (katı çözelti,bir veya daha fazla kimyasal element ihtiva eden tek bir homojen kristal fazıdır) (c) - katılaşan kütlede sıcaklık farklılıkların olması nedeniyle veya tanelerin homojenizasyonunu sağlamak için bir katalizör kullanarak elde edilen yapı
Şekil 4 - Soğuk kalıp yüzeyinde tercihli yapının gelişmesi
3.2 Alaşımlar
Saf metallerin aksine alaşımlar bir sıcaklık aralığında katılaşır (Şekil 5). Sıcaklık, likidüs (ergime) hattının altına düştüğü zaman katılaşma başlar ve solidüs (katılaşma) hattına ulaştığında tamamlanır. Bu sıcaklık aralığında alaşımlar mantarlaşma veya pasta durumundadır. Alaşımın bileşimi ve durumu Şekil 6’da Bakır-Nikel alaşımı için verilen bir faz diyagramı ile gösterilmiştir. Burada bir katı çözelti olarak katılaşmış alaşım (Cu), ana metal (Ni) içinde tamamen çözünmüş ve her tane aynı bileşime sahiptir.
Şekil 3 (b) eş eksenli taneli bir bölge ile tipik bir katı çözeltili alaşımının döküm yapısını göstermektedir. Bir katalizör ilavesi ile bu bölge baştan başa genişletilebilir (Şekil 3 c). Bu uyarma (katalizör etkisi) kalıp duvarından merkeze doğru gelişen alışılagelmiş tane oluşumu yerine tanelerin düzensiz çekirdeklenmesine sebep olur. Düzensiz çekirdeklenme oluşturmanın başka bir metodu da kalıp içindeki sıcaklık farkını elimine etmek veya azaltmaktır. Şekil 7(a)’da görüldüğü gibi dentritler üç boyutlu dal ve kollar şeklinde oluştuğundan birbirini kilitlerler.
Şekil 6- Çok yavaş soğutma ile elde edilen Nikel - Bakır alaşım sistemi için faz diyagramı. Katı çözelti bakır ve nikel ihtiva eden tek bir homojen kristal fazdır. Dikkat edilirse saf nikel ve saf bakırdan herbiri bir katılaşma sıcaklığına sahiptir.
(a)
(b)
Şekil 7- (a) -Dökme demirin katılaşma modeli. Parçalar 178 mm’lik karedir. Dikkat edilirse dentritlerin 11’ inci dakikada birbirine ulaştıkları görülür. Fakat döküm hala tamamen mantar şeklindedir. Bu parçanın tamamen katılaşması için iki saat gereklidir.
(b) -Karbonlu çeliklerin kum ve metal kalıplarda katılaşması. Çeliğin karbon ,muhtevası arttıkça katılaşma modeli değişir.
Alaşım çok yavaş soğutulduğu zaman her bir dentrit üniform bir şekilde gelişirken, hızlı soğutma ile merkezdekilerden farklı yüzey bileşimine sahip fitilli dentritler oluşur (Şekil 6). Elde edilebilen dentritik yapıların değişimi Şekil 7 (b)’de gösterilmiştir. Burada zaman, soğutma hızı ve alaşım cinsinin etkisi gözlenebilir. Kum kalıba dökülmüş ve farklı karbon ihtiva eden çeliklerden en düşük karbonlu çelik markalı bir yüzey oluşumu ile katılaşırken (kısa katılaşma süresi) yüksek karbonlu olanı katılaşma sırasında geniş mantarlaşma bölgeleri gösterir (uzun katılaşma süresi). Tablo 1’de çeşitli metallerin katılaşma aralıkları gösterilmiştir.
3. 3 - Katılaşma Zamanı
Bir yumurtanın haşlanması katılaşmanın zamanla gelişimi hakkında güzel bir örnek teşkil eder. Sıcak veya kaynayan bir su içine bırakılan çiğ bir yumurta belli bir zaman sonra (mesela 1 dakika) alınır ve kırılarak bakılırsa, yumurtanın ortasındaki sarı kısmın henüz sıvı olduğu ancak beyaz kısmın kısmen katılaştığı görülebilir. (rafadan diye isimlendirilir). Eğer yumurtayı iki dakika sonra alsaydık sıvı kısmının bir öncekine göre daha azaldığını ve katılaşan beyaz tabakanın arttığını görürdük. Yumurtanın tamamen pişmesi yani katılaşması için belli bir süreye ihtiyaç olduğu (mesela 3-4 dakika) bilinen bir gerçektir. Bu zamanın belirlenmesinde en etken faktör suyun sıcaklığı ve yumurtanın hacmidir. Eğer ılık bir suda
(30-40oC) gibi yumurtanın tamamen pişmesi beklenirse, kaynayan sudakine göre daha uzun
zamanın gerekli olduğu anlaşılır. Buda gösterir ki su ne kadar sıcaksa yumurta o kadar erken pişer. Metallerin katılaşması da yukarıdaki olaya benzerdir. Ancak burada sıvı bir metali katılaştırmak için yumurtadaki gibi ısıtmak değil, soğutmak gerekir. Belli bir hacim ve şekildeki sıvı metalin tamamen katılaşması için yine belli bir süreye ihtiyaç vardır. Yumurtanın pişmesindeki gibi katılaşma cidarlardan başlar ve merkeze doğru ilerler. Tamamen katılaşma için gerekli süre ise, metalin içinde bulunduğu hacmin yüzey alanı ile direk ilgilidir. Bu alan ne kadar büyük ise, katılaşma süresi de o oranda azalır. Aynen yumurtanın pişmesindeki gibi ortamın sıcaklığı da metalin katılaşmasına etki eden önemli faktörlerden biridir.
Katılaşmanın ilk safhasında kalıp cidarlarında ince bir kabuk veya tabaka oluşur. Bu tabakanın kalınlığı zamanla sıvı metalin merkezine doğru artar. Düz kalıp cidarlarında, katı tabakanın kalınlığındaki bu artış zamanın kareköküyle orantılıdır. Hacim arttıkça soğuma hızı düşer. Tamamen katılaşma için geçen süre genel bir formülle şöyle ifade edilebilir.
Burada C, kalıp malzemesi ve sıcaklığa bağlı bir sabittir. Bu sabit Chvorinov sabiti olarak bilinir ve değişik geometriler için iyi netice verdiği tespit edilmiştir (N. Chvorinov’a atfen, 1938). Bu temel eşitliğin açıklanması ile bir küpün aynı hacimli bir küreden daha hızlı katılaştığı görülebilir. Kalıp geometrisi ve zamanın katılaşmaya etkisi Şekil 8’de gösterilmiştir. Burada mevcut sıvı metal katılaşmış bölgeden uzaktadır. Dikkat edilirse katılaşmış tabaka dış bölgelere göre (B ile gösterilmiştir) iç kısımlarda daha incedir (A). Bunun sebebi iç kısımlarda soğuma hızının dış kısımlara nazaran daha yavaş olmasıdır.
Şekil 8 - Çelik dökümde katılaşmış tabaka. Arta kalan ergimiş metal belirtilen sürelerde boşaltılır. A’daki katılaşmış tabaka dış köşedekinden (B) daha incedir. İçi boş süs ve dekoratif parçalar da benzer prosesle dökülür (boşaltma döküm ) ve yukarıdaki şekilde gösterilen katılaşma modeline sahiptir.
Örnek problem 1
Aynı hacimli fakat farklı geometrik şekle sahip üç ayrı parça göz önüne alalım. Bunlar küp, küre ve yüksekliği çapına eşit bir silindir olsun. Hangi parça en hızlı ve hangisi en yavaş katılaşır?
Çözüm:
(1) nolu eşitliğe göre hacimler eşit olduğundan;
Katılaşma zamanı = 1 / (yüzey alanı) 2 = 1 / S 2
Hacim birim kabul edilerek yüzey alanları aşağıdaki şekilde hesaplanır. Küre: V = (4/3) π r3 , buradan r = ((3/4) π)1 / 3
A= 4 πr2=4 π ( 3/4 π)2 / 3 =4.84
Küp: V=a3 , buradan a=1
A= 6 a = 6
Silindir: V= π r2 h = 2 πr 3 , buradan r= ( 1 / 2π) 1 / 3
A=2 π r2 + 2 π r h = 6 π r2=5.54
Böylece katılaşma zamanı , t:
t küp = 0.028 C t Silindir= 0.033 C olur.
Buradan küp şekilli parçanın en hızlı, kürenin ise en yavaş katılaştığı anlaşılır.
3.4.Katılaşmayı yönlendirme
Dökülen parçanın hatasız elde edilmesine yardımcı olmak üzere, katılaşma sırasında bazı kısımların birbirine göre katılaşma önceliği iyi belirlenmelidir. Bu ise yönlü katılaşma ile sağlanır. Yönlü katılaşmayı Şekil 9 üzerinde açıklayalım.
Şekil 9- Yönlü katılaşmada öncelik bölgeleri
Şekilde görüldüğü gibi, parçanın boşluksuz katılaşması için besleyici tarafından beslenmesi, yani geçiş kısmında besleme için bir sıvı hattı daima bulunması gerekir. Buna göre ilk olarak parçanın tamamen katılaşması ve sonrasında sırası ile geçiş kısmı ile besleyicinin katılaşması gerekmektedir. Her bir kısmın katılaşma zamanlarını dizersek
Zb > Zg >Zp sırası sağlanmalıdır.
Bu dizilimin gerçekleşip gerçekleşmeyeceğini anlamak üzere katılaşma modülü hesaplanmalıdır. Mesela, Şekil 10’da görülen örneklerden yola çıkarak katılaşma modülü
µ= V/s şeklinde hesaplanır.
Burada V: hacim, s: ısı kaçan yüzey alanı ve µ: katılaşma modülüdür. Aynı hacim ve ağırlığa sahip bu iki parçadan hangisinin önce soğuyacağı tamamen yüzey alanları ile ilgilidir ve en büyük ısı kaçan yüzey alanına sahip olan plakanın daha önce soğuyacağı kolayca bulunabilir.
Şekil 10- Aynı hacim ve ağırlığa sahip küre ve plaka şeklindeki parçaların katılaşma modüllerinin karşılaştırılması
Buradan da anlaşılacağı üzere ısı kaçan yüzey alanı bakımından daha geniş yüzeye sahip bulunan plaka aynı hacim ve ağırlıklı küreye göre çok daha hızlı soğuyacaktır.
Şekil 11- Alt ve üst yüzeyden başlayarak katılaşan cidar kalınlığı
Yukarıdaki plakanın alt ve üst yüzeyinden aynı miktarda soğuduğu varsayılırsa, zamanın bir fonksiyonu olarak katılaşan cidar kalınlığı (x) her iki yüzeyden başlayarak artacak ve belli bir süre sonra plaka kalınlığı, yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi e’ye eşit olacaktır (Şekil 11). Bu halde plaka tamamen katılaşmış durumdadır. O halde plakalar için katılaşma modülü e / 2 şeklinde yani plaka kalınlığının yarısı alınır.
Katılaşma kalınlığı (x)’i zamanın bir fonksiyonu şeklinde yazarsak, plakalar için katılaşma kalınlığı: x= k (Z)1/2 şeklinde olur. 350 350 Plaka Küre Ø135 V= 1.3 dm3 S= 5.75 dm2 Z= 15 dak. V= 1.3 dm3 S= 26 dm2 Z= 0.6 dak.
Burada k, kalıp ve dökülen malzeme cinsiyle sıcaklığa bağlı bir sabittir. Bu katsayı kuma dökülen çelik malzemeler için 0.686 alınır.
Yukarıdaki bağıntıdan Z = (x/k)2 (1/k)2.(e/2)2 şeklinde yazılır. 1/k = c ve e/2 = Mp denirse Z=c.(e/2)2 ve plakanın tamamen katılaşması için geçen zaman:
Z=c.Mp şeklinde yazılır.
Besleyici ve parça arasındaki geçiş bölgesi gibi iki tarafı dökülen çevrilmiş yani soğumanın parça ve besleyici sınırlı olduğu ara yüzeyler için katılaşma modülü değişik şekilde hesaplanır.
Şekil 12- Ara bölgenin katılaşma modülü hesabı
Şekil 12’de görülen ara bölgenin katılaşma modülü hesaplanırsa V = a.b .1 S = 2(a+b) x 1 M = ) b a .( b . a +
2 elde edilir. Buradan da görüldüğü gibi ara yüzeyde katılaşma modülü
M= si kesitçevre kesitalanı şeklindedir.
Şekil 13- Geçiş kısmının katılaşma modülü hesabı
a b 1 cm x Besleyici Parça 50
Şekil 13’deki plaka için geçiş kısmının (taralı kesit) modülü hesaplayalım. Ancak bilinmesi gereken başka bir hususu burada öncelikle söylemek gerekir.
Parça, geçiş ve besleyici modülleri arasında da Mp < Mg < Mb şeklinde bir katılaşma önceliği vardır. Buna göre pratikte Mp:Mg:Mb ; 1:1.1:1.2 şeklinde alınır.
Bu hatırlatmadan sonra yukarıdaki plakanın katılaşma modülü :
Mp=5/2=2.5 cm’dir. Pratik değerlere göre Mg ise 2.5x1.1 = 2.75 cm olmalıdır. Mg’nin 2.75 cm olabilmesi için şekildeki kesit kenar uzunluklarının çok çok büyümesi gerekeceği Mg = kesit alanı/kesit çevresi bağıntısı kullanıldığında görülür.
Bu ise geçiş kısmının temas yüzeyinin oldukça kalın olmasını gerektirir. Oysa besleyicinin parçadan kesilmesi gerekir ve bu durum büyük işçilik ve malzeme israfına sebep olur. Maliyet artacağından bu gibi durumlarda geçiş kısmının kesitini küçük tutabilmek için geçiş kısmı, ısı iletimi düşük malzemeden, Şekil 14’te görüldüğü gibi ayırma maçaları kullanılarak izole edilir ve parçadan daha geç soğuması sağlanır. Böylece kesme kolaylığı da sağlanmış olacaktır.
Şekil 14- Ayırma maçası
Bazen bu çözüm yeterli olmayabilir. Böyle durumlarda ayırma maçası kullanma yanında, parçanın herhangi bir yolla erken soğuması teşvik edilmelidir (Örnek: İç ve dış soğutucular kullanarak).
4. DÖKÜM PROSESLERİ
Mühendislikte ve özellikle makina yapımında kullanılan malzemelerin döküm prosesiyle şekillendirilmesi için çeşitli yöntemler kullanılır. Yöntem seçimi parçanın kaliteli ve en ekonomik şekilde imalini sağlayacak şekilde yapılmalıdır. Burada parçanın şekli ve boyutu önemli bir faktördür. Dizayn sırasında döküm yöntemi bilinmeli ve o yöntemin özellikleri mutlaka dikkate alınmalıdır. Dökümde önemli bir husus parçanın son şekil ve ölçüsünde veya
ona yakın şekilde imal edilebilmesidir. Çok değişik şekilli parçalar birçok farklı metal veya alaşımdan dökülebilir.
Döküm yöntemini çeşitli kriterlere göre sınıflandırmak mümkün olmakla birlikte şu ana başlıklar altında toplamak uygun olacaktır.
A - Metalin kalıba gönderiliş tarzına göre
1 - Sıvı metalin yer çekimi etkisiyle döküldüğü yöntemler 2- Basınçlı döküm yöntemleri
B - Döküm kalıbının durumuna göre
1 - Bozulan kalıplara döküm 2 - Sabit kalıplara döküm
C - Sürekli döküm yöntemi D - Özel döküm yöntemleri
Bozulabilen kalıplar çeşitli bağlayıcılarla birlikte kum gibi malzemelerden yapılır. Parça, kalıp bozularak çıkarılır. Yaş kum kalıplar, kabuk kalıp, silikatla (cam suyu) bağlanmış ve karbon dioksitle sertleştirilmiş kalıplar, alçı ve seramik kalıplar bu kalıplar arasında sayılabilir.
Ayrıca kalıplama için model kullanılıp kullanılmamasına göre de sınıflama yapmak mümkündür. Fakat burada yaygın döküm yöntemleri yukarıda sayılan grupların birkaçına birden dahil olabildikleri için uygulamada anıldıkları şekilde sıralanacaklardır.
1 - Sürekli döküm 2- Kum kalıba döküm 3 - Kabuk kalıba döküm 4- Sürekli kalıba döküm 5 - Metal kalıba döküm 6 - Savurma döküm 7 - Alçı kalıba döküm 8 - Hassas (Investment) döküm 9- Özel döküm yöntemleri
Burada sayılan döküm yöntemlerinden kuma döküm, dökülen parça tonajı bakımından en büyük orana sahiptir. Fakat son yıllarda sürekli kalıp, kabuk kalıp ve hassas döküm yöntemlerinin kullanımı hızla artmaktadır.
4. 1 - Sürekli Döküm
Bu proses ilk olarak demir olmayan metal şeritlerin dökümü için geliştirilmiştir. Ancak günümüzde demir ve demirdışı metallerden uzun ve sürekli şekiller, özel kesite sahip parçalar, Şekil 15’te gösterilen üç ayrı sürekli döküm tekniği ile imal edilebilirler. Esas olarak, sıvı metal su ile soğutulan kalıp içinden kendi ağırlığı ile geçer ve katılaşır. Katı kısım hadde ile desteklenen bir yol boyunca ilerler. Soğumanın ilk kademesinde parça, normal soğuma ile oluşan katılaşmış bir cidar ile kendini geliştirir. İlave soğuma su spreyi ile sağlanabilir. Kalıplar genellikle bakırdan yapılır ve kalıp-metal arayüzeyindeki yapışma ve sürtünmeyi azaltmak için yağlayıcı özelliği olan grafit kullanılır. Ayrıca bu amaçla kalıplar titreştirilebilir. Şekilden de görülebileceği gibi parçalar, döküm hattının ilerisinde istenilen boyda kesilebilir. Kesme işleminde oksijen veya mekanik aygıtlardan faydalanılabilir. Dökülen yarı mamül kesitini daraltmak ve istenilen kesiti kazandırmak için aynı hattaki bir haddeleme sistemi ile beslenebilir. Kare, dikdörtgen ve yuvarlak kesitli alüminyum, bakır ve değişik çelikler bu teknikle ekonomik olarak dökülebilir. Ergitme ve dökme sırasında sıvı metal kirlenmeden korunabildiği için yüksek kaliteli dökümler elde edilebilir.
Şekil 15 - Kare, dikdörtgen, boru, yuvarlak, yassı ve özel kesitli uzun çeliklerin yarı mamul şeklinde üretilmesinde kullanılan üç değişik sürekli döküm metodu
4. 2. Kum Kalıba Döküm
Bu usül, metallerin dökümünde alışılagelmiş ve yüzyıllardır kullanılan bir metottur. Bugün döküm parçaların büyük bir kısmı bu metotla imal edilmektedir. Kum yüksek sıcaklıkta iyi mukavemet gösterdiği ve ucuz olduğu için kalıp malzemesi olarak çok uygundur. Döküm kumu alüminasilikat bileşiği olan kil ihtiva eder fakat özelliklerini iyileştirmek için bentonit, ateş kili gibi diğer killerde karıştırılabilir. Kum kalıbın özellikleri, kumun tane boyutu ve şekli, nem oranı, kil ve diğer ilave madde miktarları, sertlik, mukavemet, geçirgenlik ve esneklik gibi kumun özelliklerine bağlıdır. Çeşitli katkı maddeleriyle kalıp için hazırlanan kum istenilen parça şeklinde ve ona uygun ölçülerde hazırlanmış bir model etrafına doldurulur. Her bir döküm için yeni bir kalıp yapmak zorunludur ve sıvı metalin kalıba gönderilmesi için genellikle yolluk denilen kanallara ihtiyaç vardır. Dolu kalıp prosesi hariç, kum model etrafına sıkıca doldurulduktan sonra istenilen şekil boşluğunu oluşturması için model kumdan çıkarılır. Bunun için kalıp en az iki parçadan yapılmalıdır. Yukarıda değinilen konular aşağıda etraflıca açıklanacaktır.
4. 2. 1. Kalıp Kumları ve Kontrolü
SiO2, zirkon veya olivin (forsterite veya fayalite) esaslı olan kuma bağlayıcı olarak kil
(alüminasilikat) ve su katılır. Yüksek sıcaklıkta mukavemet, gelişmiş termal stabilite, düzgün döküm yüzeyi verme gibi değişik özelliklerini geliştirmek için diğer malzemeler ilave edilir. Yaş kalıp kumları kum kalıpların en ucuzu olup düşük distorsiyon avantajlarına sahiptir. Bu kumların esnekliği ve yeniden kullanılabilme özellikleri iyidir. Kalıp yapımında kullanılan kumlar dikkatli bir şekilde ayarlanmalı, üniform ve istenilen neticeyi verecek şekilde olup olmadığı kontrol edilmelidir.
Kalıp kumlarından döküm sırasında maruz kalacağı çeşitli etkiler karşısında bazı özellikler beklenir. Bu özelliklerden önemlileri şöyle belirtilebilir.
1 -Refraktörlük: Sıvı metalin yüksek sıcaklığına kumun dayanabilme kabiliyetidir.
2-Şekil alma (koheziflik): Kalıp olarak şekillendirildiğinde istenen şekli kolayca alabilme ve koruyabilme kabiliyetidir.
3 - Geçirgenlik : Hava, gaz ve döküm sırasında oluşan su buharının kaçmasına müsaade kabiliyetidir.
4 –Esneklik : Katılaşma sırasında metalin büzülmesine müsaade kabiliyetidir. Bu şekilde parçanın sıcak yırtılma ve çatlaması önlenir.
Refraktörlük kumun kendi tabiatında mevcuttur. Şekil alma kabiliyeti, bağlanma ve mukavemet, nemlendirildiğinde bağlayıcı olan bentonit, kaolit veya illit gibi killer ilave edilerek sağlanır. Genleşme kabiliyeti ise hububat veya selüloz gibi sıcak metalle temas ettiğinde yanabilen diğer organik malzemeler ilave edilerek sağlanır. Geçirgenlik esas olarak kum tane boyutunun veya diğer bağlayıcı cinsi ve miktarı ile nem oranının fonksiyonudur (Şekil 16). İyi bir kalıp kamu, kum tane boyutu, bağlayıcı madde miktarı, nem oranı ve seçilen organik madde gibi faktörler arasında iyi bir uyum göstererek yukarıda sayılan dört özelliğin iyi bir kombinasyonunu sağlar. Çok iyi netice alabilmek için kum bileşimi dikkatli olarak kontrol edilmelidir. Tipik bir yaş kum karışımı % 89 silika kumu, % 8 kil ve % 3 sudan ibarettir. Kalıp kumu özellikleri üzerinde fena etkileri olan Fe2O3 ve CaO elementlerinin
toplam miktarı % 8’in üzerinde olmamalıdır. Kil (Al2O3.2SiO2.2H2O) kalıp kumuna şekil
alma ve şeklini muhafaza etme özelliği verir. Aynı zamanda kuvars tanelerini birbirine bağlar. Kalıp kumundaki kil miktarına göre kumlar üç kısma ayrılabilir.
Zayıf kum diye adlandırılan kumda % 5 - 8 oranında kil mevcuttur. Yaş kalıplar, zayıf kumdan yapılır. % 5-10 oranında nem ihtiva eden zayıf kum plastikliğini kazanır. İnce cidarlı parçalar bu kumdan yapılmış yaş kalıplara dökülür. Orta yağlı kumda ise % 8-20 oranında kil bulunur. Bu kumdan yapılmış kalıplar kurutularak kullanılır. Çünkü orta yağlı kum kurutulduktan sonra mukavemetinde bir artış meydana gelir. Büyük ve kalın cidarlı parçalar kuru kalıba dökülür. % 20-35 oranında kil ihtiva eden kuma yağlı kum denir. Böyle bir kumdan yapılmış kalıplar kurutularak kullanılır. Yukarıdaki gerekliliklere ilave olarak, döküm sırasında kalıp malzemesinin sıcaklığını kontrol altında tutup, kumu ıslah etmek ve yeniden kullanmak gereklidir. Kumun her bir tanesi ilave maddelerle üniform olarak örtülmelidir. Bunu sağlamak için kum ve ilave malzemeler Şekil 17’de gösterilen modern ve sürekli tip bir karıştırıcıyla karıştırılır. Kumun çok sert olmaması için bir miktar yumuşatıcı ilave edilmelidir. Kalıp kumlarına bir miktar kömür tozu ilave edilerek, esnek bir ortam sağlanır. Ayrıca kömür tozu sıvı metalle temas ettiğinde yanacağından, metalin kuma yapışmasını önler ve parça yüzeyinin daha düzgün çıkmasına hizmet eder. İdeal olarak turb ve ağaç kömürü tozu kullanılması gerekirken, daha ucuz olması ve çekme gerilmelerini iyi karşılaması sebebi ile taş kömürü tozu kullanılır. Kömür tozu içindeki uçucu madde miktarları %35 civarında olmalıdır. Kömür tozunun, döküm sırasında yaratacağı istenmeyen olaylarda söz konusudur. Kömür tozu ihtiva eden yüzeyler çabuk ısınarak genleşmeye sebep olabilir. Bu ise, kalıp cidarlarında ısıl ve basma gerilmelerinin artmasına sebep olacaktır.
Şekil 16 - Kum kalıbın mukavemeti ve geçirgenliğine nem, bağlayıcı kil cinsi ve kum tane şeklinin etkisi
Modern dökümhane uygulamalarında çok sayıda kalıp ve maçalar, % 4 soda silikatı, çeşitli furfur veya furfur alkol ilavesiyle mukavemeti arttırılmış kumlardan yapılır. Sodyum silikat (cam suyu) ile karıştırılmış kum, CO2 gazına tabi tutuluncaya kadar yumuşaktır ve istenen
şekil verilebilir. Karbon dioksit gazıyla bir kaç saniye içinde sertleşir. Bu hadise aşağıdaki reaksiyona göre gerçekleşir.
Na2 SiO3 + CO2 Na2CO3 + SiO2
Bu tip kumlar sodyum silikat ile bir karıştırıcı içinde karıştırılabilir ve normal tarzda şekillendirilebilir. Derece içinde model etrafına sıkıştırılıncaya kadar CO2 gazıyla muamele
edilmez. Furfurlar bir katalizörle birlikte kullanıldıklarında genellikle bir kaç dakika içinde sertleşmeye sebep olurlar. Bu reçineler kalıplama istasyonuna gönderilmeden hemen önce kuma ilave edilirler ve özel ekipmanlarla karıştırılırlar. CO2 - sodyum silikat metodunun
önemli avantajı gazın, toksit olmayışı ve kokusuz oluşu, bu yüzden katkı maddesine ve kurutmak için ısıtmaya ihtiyaç duyulmamasıdır. Fakat bu kumlar sertleştiklerinden sonra, kalıp bozma ve maça çıkarma işlemi zordur. Diğer kumlardan farklı olarak döküm sırasındaki ısınma kumun mukavemetini arttırır (seramik bir malzemenin pişirilmesi gibi).
Kum kontrolü döküm dizayncısını az ilgilendirmesine rağmen iyi ve kaliteli parçalar imal etmek isteyen dökümcüyü büyük oranda ilgilendiren bir konudur. Tane boyutu, nem ve kil miktarı, kalıp sertliği, geçirgenlik ve mukavemeti test ederek kum kalitesini arttırmak için standart testler ve metotlar geliştirilmiştir. Tane boyutu ve inceliği, aşağı inildikçe ölçüsü büyüyen on bir elekli standard bir elek takımına konulan belli miktardaki kuru silika tanelerini eleyerek belirlenir. 15 dakika sallandıktan sonra her bir elekte kalan miktar tartılır ve ağırlıklar AFS numarasına dönüştürülür. Nem oranı, yaygın olarak iki punta arasına sıkıştırılmış küçük bir kum numunesinin elektrik iletimini ölçen özel bir ünite ile belirlenir. Diğer bir metot da bir konveyör band üzerinde kum geçerken radyoaktif bir kaynaktan yayınım ile nem miktarının sürekli ölçümü sağlanır. Üçüncü bir metot, 50 gramlık bir numuneyi 110 oC deki bir hava akımına üç dakika maruz bırakıp direk ağırlık kaybını ölçerek nem miktarını tespit etmektir. Kil muhtevası, 50 gramlık bir kum numunesini, kumu alkalin yapacak sürede sodyum hidroksit ihtiva eden suda yıkayarak belirlenir. Böyle bir çözeltide birkaç yıkama ve çalkalama safhasından sonra kil giderilir. Arta kalan kum kurutulur ve sonra tartılarak kil miktarı belirlenir. İlk ağırlık ile ve yıkanıp kurutulduktan sonraki ağırlık arasındaki fark kil miktarını verecektir.
Geçirgenlik ve mukavemet testleri 25 mm çap ve 25 mm yüksekliğindeki standart silindirik bir kum numune ile yapılır. Geçirgenlik; kum taneleri arasındaki boşluklardan gazların kolayca geçebilme ölçüsüdür.
Kalıpta bulunan hava ve sıcak metal tarafından buharlaştırılan nemin oluşturduğu su buharının kaçmasına müsaade edilmelidir. Çünkü bu gazlar döküm sırasında sıvı metal içinde veya kalıp köşelerinde sıkışarak boşluklar ve gözenekler oluşturur. Geçirgenlik testi için, içinde sıkıştırılmış kum numune bulunan tüp cihaza yerleştirilir ve 10 g / cm2 lik bir hava basıncına maruz bırakılır (Şekil 18). Orifis veya kum arasında ya akış hızını veya basıncı ölçmek suretiyle bir AFS geçirgenlik numarası belirlenir. Bu ise aşağıdaki gibi ifade edilir.
V.H / P.A.T ( 2 )
1 cm yüksekliğinde ve 1 cm2 kesitindeki bir numune içinden 1 g /cm 2 lik bir basınç altında
geçecek hava hacmidir. Burada V, havanın hacmi (2000 cm3), H, numunenin yüksekliği (5.08 cm), P, basınç (10 g/cm2), A, numune kesit alanı (2.268 cm2) ve T, 2000 cm3’lük bir akış için gerekli zaman (s) dir. Sabitleri de dikkate alarak geçirgenlik numarası = 30072 / T dir. Çoğu cihazlar geçirgenlik numarası için direk değer verir.
Şekil 18 - Döküm kumlarının geçirgenlik test metodu (şematik)
Kumun basma mukavemeti, sıkıştırılmış kum numunenin üniversal bir kum test cihazında sıkıştırılması ile belirlenir. Genellikle 0.07 - 0.2 MPa aralığında bir sıkıştırma basıncı numune bozuluncaya kadar uygulanır. Aynı test makinası kurutulmuş veya polimerleşmiş kum numunelerin enine eğme mukavemetini ölçmek için de kullanılabilir. Mukavemet-geçirgenlik ilişkisini etkilediğinden bir kalıpta sıkıştırılmış kumun sertliği çok önemlidir. Genellikle sertlik, yaklaşık 5 mm çapında yay ile yüklenebilen çelik bilyanın kuma gömülme direncini
ölçen bir cihazla belirlenir. Döküm sırasında kalıp cidarı ile sıvı metalin teması, bazı fiziksel olayları ortaya çıkarır.
Şekil 19- Kalıp boşluğu çevresinde yoğuşma bölgesi oluşumu
Sıvı metalin kalıba dökülmesi ile kalıp cidarlarına geçen ısı, bölgedeki nemi buharlaştıracak ve buharlaşan nem kalıp derinliklerinde yoğuşacaktır (Şek. 19). Sıcaklığı 100 oC’nin üzerine çıkan kalıp cidarları nem ihtiva edemeyeceğinden kuruyarak genleşmeye çalışacaktır. Bu genleşme kalıp kütlesince engelleneceğinden, kalıp boşluğuna doğru gerçekleşecektir. Böylece kalıp boşluğu cidarların genleşmesi ile şeklini kaybedecek ve daralacaktır. Burada özellikle kalıp tavanı sarkması önemli bir problem olarak karşımıza çıkabilir. Çünkü, tavan derinliklerinde sıcaklık gradyanı(değişimi) nedeniyle basma ve onun etkisi ile çekme gerilmeleri artacak ve tavan sarkacaktır. Tedbir alınmadığı durumlarda büyük hacimli parçalarda kalıp tavanı çökebilecektir. Bu gibi hatalardan emin olabilmek için kalıp kumu numunesi ile yoğuşma bölgesinin çekme ve basma dayanımı değişik test metotları ile ölçülmektedir. İki parçalı bir silindirde üstten ısıtılan kum numunesinden kaçan nem, silindirlerin ara bölgesinde yoğuşturularak, silindirler birbirinden ayrılmaya zorlanır ve kopmayı sağlayan kuvvet ölçülerek yoğuşma bölgesinin çekme dayanımı belirlenir.
4. 2. 2 – Modeller
Kum kalıpların hazırlanması için ilk ihtiyaç model dizaynı ve yapımıdır. Model, döküm prosesinin temel esaslarına ve özellikle kullanılacak kalıplama tekniğine uygun olarak hazırlanmış parçanın bir benzeridir. Kaliteli parçaların elde edilmesi model dizaynıyla yakından ilgilidir. Hassas model hassas parça için ön şarttır. Modellerin yapımında imal edilecek parça sayısı, kalıplama tekniği, döküm yöntemi ve metal akış şartları gibi bazı faktörler kalite ve ekonomiklik açısından önemlidir. Bu bakımdan model yapımı detaylıca ele alınacaktır. Yoğuşma Bölgesi Radyasyon Konveksiyon 20oC 100oC t e Sıcaklık Derinlik
4. 2. 2. 1 - Model Malzemeleri
Model malzemesi, imal edilecek parça sayısına göre belirlenir. Dökülecek parçanın şekli ve kalıplama tekniği model malzemesi seçiminde önemli faktörlerdir. Parça boyutu, şekli, boyutsal hassasiyet ve arzu edilen parça kalitesine göre modeller yaygın olarak ahşap, metal, plastik veya plaster (alçı) dan yapılırlar. Çok sayıda parça imal edilecekse model malzemesi mukavim ve sert olmalıdır. Uzun süre kullanmadan dolayı aşınmayı azaltmak için modeller çeşitli malzemelerin kombinasyonu ile de yapılabilir. Örneğin ahşap bir modelde kritik bir aşınma bölgesi varsa bu bölgenin aşınmaya direncini arttırmak için metal bir iskelet kullanılabilir. Bu metal bölge modelin ömrünü uzatır ve dolaysıyla model yenileme masrafını düşürür. Ahşap modeller metal modellerden daha ekonomik olmalarına rağmen daha çabuk yıpranırlar. Ahşap modellerin yapımı nispeten kolaydır ve az sayıdaki parçalar için oldukça sık kullanılır. Ahşap modeller yumuşak veya sert ağaçtan yapılırlar. Yumuşak ağaçtan yapılmış modeller 10’dan daha az sayıdaki parçaların imalatı için uygundur. Çünkü yumuşak ağaç kolay deforme olur. Dolayısıyla kalıbın sıkıştırılmasında bu husus dikkate alınmalıdır. Sert ağaçtan yapılmış model ve maça sandıkları daha dayanıklıdır. Ahşap nem ile çarpılma, şişme - büzülme şeklinde etkilendiğinden boyutsal açıdan çok dengeli değildir.
Metal modellerin yapımı ahşap modellere göre daha zor ve daha pahalıdır. Fakat boyutsal olarak daha dengeli, dayanıklı ve aşınma dirençleri yüksektir. Metal modeller genellikle uygun levhalarla kullanılırlar. Üretanlar gibi sert plastikler bazı kuvvetlendiricilerle birlikte model malzemesi olarak sık kullanılırlar. Bu plastikler genel olarak karmaşık şekilli parçalar için dökülerek model haline getirilirlerse de işlenerek de yapılabilirler. Dolu kalıp prosesinde polystren kullanılır fakat bir modelin sadece bir kere kullanılma imkanı vardır. Plastik modeller metal olanlardan daha hassas ve hafiftirler. Plastiklerin kalıp nemini absorbe etmemeleri avantajlarındandır. Ayrıca şekil vermek kolay ve oksidasyon yoktur. Fakat daha çabuk aşınırlar.
Alçı modellerle dar toleranslarda karmaşık ve hassas parçalar dökülebilir. Model yapımında yumuşak ve sert alçı kullanılır.
Sert alçılar daha dayanıklıdırlar. Alçılar belli bir zaman aralığında kolayca şekillendirilebilir bir plastikliğe sahiptir ve kolay tamir edilirler. Fakat döküldükten kısa bir süre sonra katılaşırlar. Model yapımında yaygın olarak kullanılan alüminyum, ahşap ve plastiklerin özellikleri Tablo 2’de verilmiştir.
Tablo 2-Model malzemeleri ve özellikleri
4. 2. 2. 2 - Model Payları
Daha önce bahsedildiği gibi modeller şekil olarak imal edilecek parçanın bir benzeridir. Boyut açısından incelendiğinde modeller imal edilmiş parçadan daha büyüktürler. Modeldeki bu boyut fazlalıklarına genel olarak “pay” adı verilir.
Çekme payı: Bunların en önemlisi kendini çekme (büzülme) payıdır. Malzeme cinsine bağlı olarak katılaşmayı takiben bir büzülme meydana gelir. Bu yüzden model bu büzülmeyi karşılayacak şekilde istenen parça ölçüsünden biraz büyük yapılmalıdır. Tam olarak modeldeki büzülme payı dökülecek metale bağlıdır. Bazı metallere ait tipik çekme payları şöyledir (%): Dökme demir: 0.8 - 1 Çelik : 1.5 -2 Alüminyum : 1 - 1.3 Mağnezyum : 1 - 1.3 Pirinç : 1.5
Model yapımcısı bu payları özel çekme cetveller kullanarak verir. Bu cetvel standart cetvelden büzülme miktarı kadar büyüktür. Fakat termal büzülme, katılaşma sonrası boyutu etkileyen tek faktör olmadığı için biraz dikkatli olmak gereklidir.
Bölüm 3’te açıklandığı gibi ergimiş metal kalıba döküldüğü ve katılaşmaya başladığı zaman kalıp cidarlarından ısı kaybettiği için içe doğru kendini çeker. Çekmeye izin verecek şekilde modele verilmiş fazla boyut (pay) miktarını çeşitli faktörler belirler. Metallerin döküm sıcaklığı, kalıp malzemesinin soğutma etkisi, kalıp boyutları ve içindeki maça kütlesi bu
faktörler arasında sayılabilir. Bununla birlikte metalin büzülmesini karşılayacak gerekli metal miktarı için belli bir kuralın bulunmayışı bu miktarın tecrübeyle ayarlanmasını gerekli kılar. Metal modellerin imalinde ise model ve esas parça metalinin çekme payları birlikte değerlendirilmelidir.
Koniklik: Model üzerinde kumdan çıkarılmasını kolaylaştıracak bir koniklik olmalıdır. Eğer modelin yan yüzeyleri bölme yüzeyine dik veya çıkarma (çekme) yönüne tam paralel olursa modelin bölme yüzeyine dik doğrultuda herhangi bir hareketi sırasında model ve kalıp cidarı arasındaki sürtünmeden dolayı kum taneleri kopar. Bu durum özellikle bölme yüzeyi ve kalıp boşluğunun kesiştiği köşelerde aşırı şekilde meydana gelir. Çıkarma yönüne paralel olan bütün yüzeylere hafif bir koniklik vererek bu zorluk minimuma indirilir. Bu koniklik sebebiyle modelin az miktarda çekilmesi bütün yüzeylerin kumdan temasını kesecek ve kalıba herhangi bir zarar vermeden modelin çıkmasını sağlayacaktır. Koniklik, modelin bölme yüzeyi ve kenarının kesiştiği köşeden bölme yüzeyine 90o çizilen hayali düşey çizgi ile model kenar düzlemi arasındaki açıdır. Koniklik açısı genellikle kalıbın bölme yüzeyinde başlar ve her iki yönde devam eder (Şekil 20,21).
Şekil 20 - Dökümde kalıp bölme yüzeyi ile konikliğin ilişkisi Şekil 21- Koniklik açısı
Koniklik miktarı, modelin şekil ve boyutu, kalıp derinliği, modelin çıkarılma metodu, model malzemesi, kalıp malzemesi ve kalıplama tarzı ile belirlenir. Koniklik miktarı 1, 2 veya 3 ° gibi açısal bir değer veya 1 / 100, 1 / 30 gibi boyutsal oran olarak belirtilir. Konikliğin verileceği kenar kısa olduğu zaman 1/2 o’lik açı yeterli olabilir. Ancak kalıp derinliğinin büyük olduğu yüzeylerde koniklik açısı 2 veya 3 ° olmalıdır. Dış yüzeylerdeki koniklik kenarlardan birine veya ikisine birden verilebilir. Modelin her iki tarafında koniklik bulunduğunda fazladan düzenleme gerektirir ve model yapma zamanını uzatır (Şekil 22).
Maça kullanılmadan oluşturulacak iç delik veya boşluklar için de koniklik verilmesi gerekir. Çünkü bu gibi deliklerin yüzeyleri kalıp malzemesini kuşatır ve modelin çıkartılması son derece zordur. Bu durumda iç yüzey koniklikleri küçük delikler için 1/24’e kadar artabilir veya normalde dış koniklikten 1 veya 2° büyük tutulmalıdır (Şekil 23).
Şekil 22-Dış koniklik Şekil 23-İç koniklik
Modele verilecek koniklik aynı zamanda kalıp malzemesine bağlıdır. Mesela yaş kalıp kumuna kalıplanacak bir model bağlayıcı ihtiva eden kumda kalıplamaya göre daha fazla koniklik gerektirir. Koniklik modelin boyutlarını daima arttırdığı ve buna bağlı olarak döküm parçanın da boyut ve ağırlığı artacağından konikliğin, modelin çıkarılmasını sağlayabilecek minimumlukta tutulması arzu edilir. Model çıkarılmadan önce kalıp kumuna yüksek mukavemetin verildiği ve kalıplama makinalarının kullanıldığı modern kalıplama yöntemlerinde modelin çıkarılması için gerekli koniklik payında önemli oranda azaltmaya gidilir. Böylece ince cidarlı hafif parçaların imalatı kolaylaşır, ağırlık ve işlemeden tasarruf sağlanır.
İşleme payı : Eğer döküm parçalar üzerinde dökümden sonra işlenecek yüzeyler varsa modele
bir “işleme payı” vermek gerekecektir. İşleme payı miktarı döküm prosesine ve kalıp malzemesine bağlıdır. Alışılagelmiş kum kalıba dökümler kabuk kalıba dökümlere göre daha kaba yüzeylere sahiptirler. Metal kalıba dökülmüş parçalar yeterli düzgünlükte olduklarından hiç talaş kaldırmayı gerektirmez ya da çok az işlenmeye ihtiyaçları vardır. Hassas dökümler genellikle işlenmezler. Buradan dizayncının işleme payını döküm yöntemine göre dikkate alması gerektiği ortaya çıkmaktadır. Ayrıca yukarda açıklanan konikliğin ise kısmen veya tamamen fazladan metal işleme işi gerektirdiği unutulmamalıdır.
Distorsiyon (Çarpılma) payı : Bazı parçalar döküm sırasında çarpılmaya meyledebilir.Bu
yüzden çarpılma miktarını karşılamak üzere modele bir pay verilmelidir. Burada parçanın şeklinin etken olduğu açıklığıyla ortadadır. Mesela uzun düz kesitlere bir pervaz ile uygun destek sağlanmadıkça ortasından sarkmaya meyleder. Bu tip çarpılma konfigürasyonu cidar kalınlığına bağlıdır ve dizayncının gerekli çarpılma payı vermede tecrübeli olmasını gerektirir.
Modellere verilecek çeşitli paylar parça nominal ölçüsü üzerine artı bir boyut miktarı demektir. Buna göre modelin ilgili ölçüsü , parçanın o kenarının nominal ölçüsü, çekme payı, koniklik payı, işleme payı ve varsa çarpılma paylarının toplamıdır. Yukarıda açıklandığı gibi bu paylar çeşitli faktörlere bağlıdır ve genelde döküm ağırlığının ve işlenerek kaldırılması gereken metal miktarının artmasına sebep olurlar. Bu ise malzeme ve zaman israfı demektir. Bunlar için izlenecek yol Şekil 24’de gösterilmiştir. Modern mekanik kalıplama ve model çıkarma ekipmanları, modeli çıkarmadan önce kumu sertleştiren ve mukavemetini arttıran prosesler model paylarının azaltılmasına müsaade ettiklerinden gittikçe popüler olmaktadırlar. Modelin kum kalıptan çıkarılması sırasında hafifçe sallanacağı (takalama) dikkate alınarak bu işlemin ortaya çıkaracağı kalıp genişlemesi de negatif bir pay olarak düşünülmelidir. Bu tamamen el maharetine ve işçinin dikkatine bağlı bir paydır.
Şekil 24- Model üzerinde olması gereken çeşitli paylar
4. 2. 2. 3 - Model çeşitleri
Model tipleri, yaygın kullanılan ve istenen parça sayısı ve karmaşıklığına göre belirlenmiş özel modeller olarak iki ana grupta değerlendirilebilir. Yaygın kullanılan modeller grubuna daha ziyade ahşap, metal veya alçıdan yapılmış tek parçalı, iki parçalı veya çok parçalı modelleri dahil edebiliriz. Ayrıca plakalı modeller de seri imalatta yaygın olarak kullanılırlar. Özel tip modeller ise balmumu ve bazı plastiklerden yapılmış tek parçalı ve dolu kalıp proseslerinde kullanılan modellerdir.
