Modüler Metal Beton Kalıp Tasarımı: Kapsamlı Rehber

Metal Kalıp Tasarımına Giriş

Tasarım Bir Karar Verme Sürecidir

Tasarım, tasarımcının müşterinin ihtiyaçlarına göre şekillendirdiği bir karar alma biçimidir ve nihai sonuç farklı yollarla iletilir. Bir tasarımı müşteriye açıklamak için çeşitli yöntemler vardır: prototip üretimi, çizim yapma ve açıklama, sözlü anlatım, maket yapımı gibi.

Günümüzde, endüstriyel kararlarda en kısa, ekonomik ve doğru iletişim yöntemi çizimdir; bu, endüstriyel ortamlarda uluslararası bir dil olarak kabul edilir. Çizimler sayesinde inşaat ön gereksinimleri kolayca tartışılabilir ve hesaplanabilir. Bu yöntem, bir cihazın üretim maliyeti ve süresini en aza indirir. Bu nedenle, başarılı bir endüstriyel tasarımcının endüstriyel çizim konusunda tam bir bilgiye ve yetkinliğe sahip olması gerektiği açıktır.

Bir tasarımcının ustalaşması gereken bir diğer önemli beceri, farklı tasarım durumları için doğru mekanizmaları ve bileşenleri seçebilme ve bilinçli kararlar alma yeteneğidir. Bu, ancak ilgili konuda araştırma yaparak ve uzmanların deneyim ve bulgularına dayanarak mümkün olur.

Kesme kalıplarının tasarımı söz konusu olduğunda, tasarımcının tüm bileşenler, parçalar, mekanizmalar, üretim yöntemleri, malzemeler ve ilgili hesaplamalar hakkında tam bilgiye sahip olması gerekir. Kesme kalıplarının tasarımında ilk adım, şerit düzeninin çizilmesidir.

Kesme Kalıplarının Tasarım Aşamaları

Şerit Tasarımı

Kesme kalıbı tasarımının ilk adımı, ilk istasyondan son istasyona kadar gerçekleştirilen tüm işlemleri gösteren şeridin çizilmesidir. Bu şerit düzeni, farklı istasyonlardaki kesim sürecini açıkça gösterir. Bu açıklamaya dayanarak, kalıp tasarımının en temel aşamasının şerit tasarımı olduğu açıktır. Bu adım tamamlandıktan sonra, kalıbın üretim süresi ve maliyeti doğru bir şekilde tahmin edilebilir. Kesme kalıplarıyla üretilen parçaların nihai maliyetinin %50-70’i hammaddeden kaynaklanırken, geri kalanı üretim maliyetlerinden (işçilik, atık vb.) oluştuğundan, şerit tasarımında atıkların en aza indirilmesi çok önemlidir.

İzin Verilen Atık Kaydırma Miktarı

Bu değer, üretilen parçanın nihai şekli ve dış çevresi ile doğrudan ilişkilidir. Genel olarak, üretilen parçalar dış şekillerine göre dört ana kategoriye ayrılarak farklı şeritler için izin verilen atık seviyeleri belirlenebilir:

Birinci Kategori:

Bu kategori, dış çevresi kavisli olan ve iki ardışık istasyondan bakıldığında kavislere sahip parçaları içerir. Bu durumda, atık miktarı (A), sac kalınlığının %70’i olarak kabul edilir.

A = %7 × T

Kavisli şekiller (Şekil 7)

İkinci Kategori:

Bu kategori, birbirine ve şerit kenarlarına paralel ve düz kesme kenarlarına sahip parçaları içerir. Burada atık miktarı (B), parçanın düz kenar uzunluğuna (L) bağlıdır ve Tablo 5 kullanılarak belirlenebilir. (Şekil 8, Tablo 5)

Paralel kenarlı şekiller (Şekil 8)

Bekleme İstasyonları

Şerit üzerindeki kesim istasyonlarının sayısı arttığında, zımbalar ve diğer kalıp bileşenlerinin sayısı da aynı oranda artar. Bazen kesim istasyonlarının yakınlığı nedeniyle zımbaların ve diğer parçaların montajı pratik olmaz. Bu sorunu önlemek, şeridin dayanıklılığını artırmak ve hızlı, rahat hareketini sağlamak için genellikle uygun yerlere bir bekleme istasyonu eklenir. Bu istasyonlarda sac üzerinde herhangi bir işlem yapılmaz, böylece zımbalar veya diğer kalıp bileşenleri için açık alan yaratılır. (Şekil 11)

Şeritte Parça Yerleşimi Tasarımı

Çoğu durumda, kesilmiş parçaları üretmek için standart genişlikte metal şeritler kullanılır. Bu aşamada, tasarımcı parçayı şerit içinde ustalıkla konumlandırmalıdır ki atık miktarı minimuma indirilsin. Aşağıdaki şekillerde gösterildiği gibi, parçalar birbirine kenetlenebilir veya şerit üzerinde tek veya çok sıralı olarak düzenlenebilir. Şekil 12 bu düzenlemelere birkaç örnek sunar. (Şekil 12)

Kesme Kalıplarının Tasarım Aşamaları

Zımba

Zımba, kalıbın kesme kenarlarından biridir ve genellikle şeridi kesmek için gerekli basıncı uygular. Kesilen bölüme bağlı olarak belirli bir geometrik şekle sahip olabilir. Genellikle zımbalar, kesme kalıbının üst bileşenlerinin bir parçasıdır ve üst ayakkabıya bağlıdır. Üretimi kolaylaştırmak ve dayanıklılığını artırmak için zımba tasarımında aşağıdaki noktalar dikkate alınmalıdır:

Genel Zımba Şekli

Aşağıda bir kesme zımbası örneği ve bileşenlerinin açıklaması verilmiştir: (Şekil 13)

H: Bu basamak, zımbanın uzunlamasına hareketini kontrol eder ve her zaman pozitif toleransla tasarlanır. Zımba tutucuya yerleştirildiğinde, bu bölüm tutucunun tabanıyla aynı hizada olur veya dışarı çıkar.
D: Bu çap, zımbanın tutucuya monte edilmesi için tasarlanmıştır ve sıkı geçme (H7/n6) olmalıdır.
R: Fileto yarıçapı olarak bilinen bu boyut, keskin köşelerdeki gerilimi azaltır.
d: Bu çap, şerit üzerindeki delik boyutunu belirler ve hassasiyeti boşluk ve üretilen parçanın boyutsal doğruluğuna bağlıdır.

Zımba Malzemesi ve Sertliği

Zımba malzemesi, yoğun kullanımda aşınmayı ve bozulmayı en aza indirmek için aşınmaya ve darbeye dayanıklı sert çelik olmalıdır. Isıl işlemden sonra yüzeyden çekirdeğe kadar eşit şekilde sertleşen ve orijinal şeklini ve boyutunu koruyan çelik önerilir. SPK çeliği bu özelliklere sahip bir örnektir. Zımbalar üretimden sonra 55 Rockwell’e kadar sertleştirilir.

Zımba Uzunluğu

Mümkün olduğunca zımbalar kısa tutulmalı, böylece kırılmaya karşı direnci artar.

Zımba Çapı

Kesme bölümü çapı 4 mm veya daha az olduğunda, zımba genellikle iki basamaklı tasarlanır (büyük çap, küçük çapın 1.5 katıdır).

Standart Zımbalar

Bu zımbalar, alet firmaları tarafından üretilir ve piyasada sunulur. Yüksek kaliteli malzemelerden yapıldıkları için tasarımcıların kalıp üretim maliyetlerini ve süresini daha da azaltmasını sağlar.

Parça Montajı (Kuru Montaj)

Karmaşık kesme bölümlerine sahip zımbalar, üretim için yüksek beceri ve teknik gerektirir. Ancak, birden fazla parçadan bir araya getirilerek nihai zımba şekli oluşturulabilir. Şekil 14 bu tür zımbalara örnekler gösterir. (Şekil 14)

Zımba Yerleştirme ve Değiştirme

Sağlam bir yerleştirme için genellikle bir zımba tutucu plakası kullanılır ve zımbalar belirlenen yerlerine konumlandırılır. Bu düzen, tek tek zımbaların kolayca değiştirilmesini sağlar. Dönmeyi önlemek için zımbalar genellikle tutucuya bir pim ile sabitlenir. Vida veya yaylı bilyeler de bu amaçla kullanılabilir. (Şekil 15)

Zımba Ucunun Eğimi

Çoğu kesme kalıbında, zımba, kesim sırasında çevresinin sacla eşit şekilde temas etmesi, sacı kalıba bastırması ve kesimi ayırması için tasarlanır. Bu kesim için gerekli kuvvet bir pres tarafından sağlanır. Eğer mevcut pres yetersizse, zımba ucuna eğim verilerek tam yüzey teması yerine doğrusal temas sağlanabilir ve gerekli kuvvet azaltılır. (Şekil 16)

Zımba veya kalıptaki kesme miktarı (h), kesim için gereken kuvvete ve pres tonajına bağlı olarak belirlenir ve genellikle sac kalınlığını aşmaz. Kesme miktarının (h) artırılması, kesim için gereken kuvveti azaltır.

Kalıp Planlarının Tasarımı

Kalıp planları, diğer endüstriyel çizimler gibi uluslararası çizim standartlarına (DIN ISO) uygun olarak hazırlanır. Geliştirme süreci şu şekildedir:

Parçanın dış şekline dayanarak kağıt üzerinde bir ön taslak çizilir. Mekanizmalar gözden geçirilip geliştirildikten sonra, tüm bileşenleri ve yönleri kapsayan tam bir kalıp montaj çizimi elde edilir.
Bu aşamada, kalıbın tüm parçalarına -standart veya standart dışı- özel numaralar verilir, bu da sonraki tasarım ve üretim aşamalarında erişimi kolaylaştırır. Ayrıca, her parçanın malzemesi belirlenir ve kalıp montaj çizim tablosunda not edilir. Eğer piyasadan standart bir parça alınarak kalıba entegre edilecekse, bu parçanın standart numarası (DIN veya şirket kodu) ve genel boyutları montaj tablosunda belirtilmelidir.
Kalıp parçalarının üretimi veya temini için, her bileşen için ayrı çizimler -üretim çizimleri olarak bilinir- hazırlanmalıdır. Bu çizimler, standart A4 veya diğer standart boyutlu kağıtlara çizilir ve hammaddenin nihai kalıp parçasına dönüşmesi için gereken tüm işlemleri açıkça göstermelidir.
Detaylı üretim çizimlerinin hazırlanması, Modüler Metal Beton Kalıpların tasarımında en kritik aşamalardan biridir, çünkü bu çizimler parçaların sınırlarını, boyutlarını ve hassasiyetini tanımlar. Bu çizimlerde tam ölçümlerin yanı sıra yüzey pürüzlülüğü, malzeme, sertlik, parça numarası, genel boyut, şekil ve konum toleransları, uyumlar ve diğer gerekli özellikler belirtilmelidir. Şekil ve konum toleransları, üretim çizimlerinde sıkça görülen unsurlardır ve parçanın farklı bölümlerinde boyut hassasiyetini sağlar. Bu toleranslara dair genel bir açıklama bir sonraki bölümde verilecektir.

Özet

Bükme işlemindeki önemli kusurlardan biri, bükme kuvveti sacdan kaldırıldığında ortaya çıkan yay geri dönüşüdür. Yay geri dönüşünü tahmin ederek telafi etmek ve doğru parçalar üretmek, bükme işlemlerinde temel bir endişedir. Bu makalede, çelik saclarda kenar bükme olgusu incelenmiş, bükme hattında kesiklere sahip bükmeler analiz edilmiş ve çelik saclarda kenar bükme sırasında delik boyutu (kesim yüzdesi), zımba yarıçapı ve kalıp yarıçapının yay geri dönüşüne etkisi değerlendirilmiştir. Bulgular, tüm bu parametrelerin yay geri dönüşünü etkilediğini, ancak kalıp yarıçapının en büyük etkiye sahip olduğunu göstermektedir.

Anahtar Kelimeler: Yay Geri Dönüşü – Delikli Sac – Kenar Bükme – Zımba Yarıçapı – Kalıp Yarıçapı

1- Giriş

Metal saclar üzerinde gerçekleştirilen en temel ve basit işlem bükmedir. Bu işlemde yırtılma, buruşma, kesit deformasyonu ve yay geri dönüşü gibi kusurlar ortaya çıkabilir; bu çalışma yay geri dönüşüne odaklanmıştır. Yay geri dönüşü, hedeflenen parçanın nihai şeklini etkilediğinden, bunu telafi edecek bir çözüm bulunmalıdır. Bu çözümlerden biri, yay geri dönüşünü tahmin ederek Modüler Metal Beton Kalıpların tasarımında ayarlamalar yapmaktır. Endüstride, yay geri dönüşü el kitaplarındaki tablolar ve formüllerle tahmin edilir, ancak bu yöntemlerin iki büyük eksikliği vardır: delikli saclar için formül veya tablo bulunmaması ve bükme işleminde yay geri dönüşünü etkileyen tüm faktörlerin dikkate alınmaması [1].

Kenar bükmede, yay geri dönüşüne birçok değişken etki eder. Kalıp boyutlarının etkisi Kampus ve Tekiner tarafından incelenmiş, yay geri dönüşünü etkileyen faktörler analiz edilmiş ve kenar bükme kalıplarında bunu tahmin etmek ve azaltmak için ilişkiler ve çözümler önerilmiştir [2]. Livatyali, bükme deneyleri yaparak kalıp yarıçapı, zımba-kalıp boşluğu, zımba yarıçapı, sac tutucu kuvveti ve malzeme türünün kenar bükmedeki yay geri dönüşüne etkisini incelemiştir [3]. Bahloul ve ekibi, deney tasarımı ve 3D sonlu elemanlar yöntemiyle yay geri dönüşünü araştırmış, kalıp yarıçapı ve zımba-kalıp boşluğunun bükme sonrası nihai parça şekli üzerinde en kritik parametreler olduğunu, bu faktörlerin artmasıyla yay geri dönüşü ve nihai açının büyüdüğünü belirtmiştir [4]. Cho ve ekibi, zımba yarıçapı, kalıp yarıçapı, kalıp boşluğu, sürtünme, sac kalınlığı ve hızın yay geri dönüşüne etkisini sayısal olarak incelemiştir [5]. Kazan ve ekibi, sonlu elemanlar yöntemi (FEM) ve yapay sinir ağları kullanarak kenar bükme kalıplarında yay geri dönüşünü tahmin etmek için ilişkiler geliştirmiştir [6].

Araştırmalar, sac bükme üzerine geniş çalışmalar yapılmış olsa da kenar bükmenin yeterince dikkat çekmediğini göstermektedir. Ayrıca, bükme için incelenen parçalarda genellikle bükme hattında kesik veya delik bulunmazken, endüstride bükme hattında kesik veya delik içeren parçalar yaygındır (Şekil 1). Yazarların V-şekilli kalıplar üzerindeki önceki araştırmaları, bu tür parçaların yay geri dönüşünün aynı malzeme ve boyutlara sahip kesiksiz veya deliksiz parçalardan farklı olduğunu göstermiştir. Delikli veya kesikli saclarda yay geri dönüşü, el kitaplarındaki değerlerden veya yaygın formüllerden sapar ve ayrı bir inceleme gerektirir [7]. Bu çalışmada, tasarlanıp üretilen bir cihaz kullanılarak çelik saclarda kenar bükme sırasında kalınlık, zımba yarıçapı, kalıp yarıçapı ve delik boyutlarının (kesim yüzdesi) yay geri dönüşüne etkisi incelenmiştir.

Kayma Kalıpların Tasarımı

Günümüzde, silo, telekomünikasyon kuleleri, yüksek binalardaki kesme çekirdekleri, soğutma kuleleri, bacalar, merdiven tabanları, tünel zeminleri, su kanalları, yol yatakları gibi uzun ve yüksek yapılar için geçmişte ağır iskeleler gerektiren inşaatlarda kayma kalıplar yöntemi kullanılır. Kayma kalıplar, çevredeki iskelelerin çoğunu ortadan kaldırarak inşaat hızını artırır ve işin görünümünü iyileştirir. Modüler Metal Beton Kalıpların tasarımı ile bu yöntem daha da verimli hale gelir.

Dikey Kayma Kalıpların Tasarımı

Dikey kayma kalıplarının uygulanmasının temel prensibi, kalıbın belirli aralıklarla 1 ila 1.5 metre yükseltilmesidir. Kalıp yükselirken beton dökümü ve donatı yerleştirme devam eder, beton karışımı kalıba üstten sürekli olarak dökülür. Kalıp yukarı doğru hareket ettikçe, sertleşmiş beton aşağıda kalır. Kalıbın hareket hızı, betonun kalıptan çıktığında kendi ağırlığını taşıyabilmesi ve şeklini koruyabilmesi için yeterli dayanıklılığa sahip olacak şekilde ayarlanır. Dikey kayma kalıplar sürekli hareketle veya belirli bir yükseklikte durup tekrar devam edecek şekilde programlanarak uygulanabilir. Genellikle kalıp sabit bir hızla hareket eder.

Kayma kalıp durduğunda, sabit kalıplı inşaatlarda beton döküm aşamaları arasında oluşanlara benzer derzler oluşur.

Kayma kalıp, her beton bölümünün ilk sertleşme için 필요한 süre boyunca kalıp içinde kalmasını sağlayarak dikey olarak sabit bir hızla hareket eder. Bu yöntem, sabit veya neredeyse sabit duvar kalınlığına sahip kabuk yapılar için kullanılır. Dikey kayma kalıplar, sertleşmiş betona gömülü pürüzsüz çubuklar veya yapısal borular üzerinde çalışan krikolarla kaldırılır. Bu krikolar manuel, pnömatik, elektrikli veya hidrolik olabilir. Çalışma platformları ve bitirme işçilerinin iskeleleri kalıba bağlıdır ve onunla birlikte hareket eder.

Kayma Kalıbın Ana Bileşenlerinin Tasarımı

Kalıp Duvarlarının Tasarımı

Kalıp duvarları yeterince sağlam ve dayanıklı olmalıdır. Ahşap veya metalden yapılabilir. Metal kalıplar ahşap olanlardan çok daha ağırdır, ancak daha fazla dayanıklılık ve yeniden kullanım döngüsü sunar. Metal kalıpların onarımı veya modifikasyonu ahşap olanlardan daha zordur, ancak temizliği daha kolaydır ve kalıp çıkarıldıktan sonra beton yüzeyi daha pürüzsüz olur.

Kalıplar üç bölüme ayrılabilir: boyunduruklar, yatay destekler (çemberler) ve kalıp gövdesi.

Boyundurukların iki ana işlevi vardır: betonun yanal basıncı altında kalıbın açılmasını önlemek ve yük ile basıncı krikolara aktarmak. Yatay destekler, kalıp gövdesinin bükülme direncini güçlendirir ve yükünü boyunduruklara aktarır. Bitirme platformları, uygulama güverteleri ve konsol platformlar yatay desteklere bağlanır.

Yakaların Tasarımı

Bu yakalar, çalışma platformunu destekler, yükünü aktarır ve kalıp ile kriko kablolarının ağırlığını taşır. Genellikle metalden yapılır ve yapıya uygun profiller olarak tasarlanır.

Çalışma Platformunun Tasarımı

Genellikle üç çalışma seviyesi planlanır: biri yakaların üzerinde, duvarın bitiminden yaklaşık iki metre yukarıda, sabit metal bağlantı elemanlarının montajı için; bir diğeri kalıbın üstünde, zeminle aynı hizada, beton kaplarının yerleştirilmesi, malzeme depolama, tesviye araçları ve kriko kontrolleri için; üçüncüsü ise duvarın her iki tarafında asılı veya sürekli ahşap iskeleler şeklinde, yeni açığa çıkan beton yüzeyine erişim ve gerekirse onarım için kullanılır.

Hidrolik Krikoların Tasarımı

Kullanılan hidrolik krikolar genellikle kapasitelerine göre tanımlanır, örneğin üç tonluk veya altı tonluk krikolar.

Kayma Yöntemiyle Beton Duvar Kalıplarının Tasarımı

Nispeten uzun duvarlar için kullanılan bu kalıp yönteminin avantajlarından biri, kalıbın tekrar kullanım potansiyelini artırması ve uygulamayı hızlandırmasıdır. İlk olarak, iki kalıp duvarı ters şekilde yerleştirilir ve beton bir temel (başlangıç) üzerine oturtulur. Beton dökülüp sertleştikten sonra, iç kalıp bölümleri nihai beton seviyesine kadar yükseltilir, sabitlenir ve ikinci duvar bölümü dökülür. Beton sertleştikten sonra kalıp çıkarılır ve süreç tekrarlanır. Bu kalıp ve beton döküm döngüsü, duvarın beton işleri tamamlanana kadar devam eder.

Beton Yapıların Kalıp Tasarımı

Kayma Kalıpların Tasarımı

Günümüzde, silo, telekomünikasyon kuleleri, yüksek binalardaki kesme çekirdekleri, soğutma kuleleri, bacalar, merdiven tabanları, tünel zeminleri, su kanalları, yol yatakları gibi uzun ve yüksek yapılar için geçmişte ağır iskeleler gerektiren inşaatlarda kayma kalıplar yöntemi kullanılır. Kayma kalıplar, çevredeki iskelelerin çoğunu ortadan kaldırarak inşaat hızını artırır ve işin görünümünü iyileştirir.

Dikey Kayma Kalıpların Tasarımı

Dikey kayma kalıplarının uygulanmasının temel prensibi, kalıbın belirli aralıklarla 1 ila 1.5 metre yükseltilmesidir. Kalıp yükselirken beton dökümü ve donatı yerleştirme devam eder, beton karışımı kalıba üstten sürekli olarak dökülür. Kalıp yukarı doğru hareket ettikçe, sertleşmiş beton aşağıda kalır. Kalıbın hareket hızı, betonun kalıptan çıktığında kendi ağırlığını taşıyabilmesi ve şeklini koruyabilmesi için yeterli dayanıklılığa sahip olacak şekilde ayarlanır. Dikey kayma kalıplar sürekli hareketle veya belirli bir yükseklikte durup tekrar devam edecek şekilde programlanarak uygulanabilir. Genellikle kalıp sabit bir hızla hareket eder.

Kayma kalıp durduğunda, sabit kalıplı inşaatlarda beton döküm aşamaları arasında oluşanlara benzer derzler oluşur.

Kayma kalıp, her beton bölümünün ilk sertleşme için gerekli süre boyunca kalıp içinde kalmasını sağlayarak dikey olarak sabit bir hızla hareket eder. Bu yöntem, sabit veya neredeyse sabit duvar kalınlığına sahip kabuk yapılar için kullanılır. Dikey kayma kalıplar, sertleşmiş betona gömülü pürüzsüz çubuklar veya yapısal borular üzerinde çalışan krikolarla kaldırılır. Bu krikolar manuel, pnömatik, elektrikli veya hidrolik olabilir. Çalışma platformları ve bitirme işçilerinin iskeleleri kalıba bağlıdır ve onunla birlikte hareket eder.

Kayma Kalıbın Ana Bileşenlerinin Tasarımı

Kalıp Duvarlarının Tasarımı

Kalıp duvarları yeterince sağlam ve dayanıklı olmalıdır. Ahşap veya metalden yapılabilir. Metal kalıplar ahşap olanlardan çok daha ağırdır, ancak daha fazla dayanıklılık ve yeniden kullanım döngüsü sunar. Metal kalıpların onarımı veya modifikasyonu ahşap olanlardan daha zordur, ancak temizliği daha kolaydır ve kalıp çıkarıldıktan sonra beton yüzeyi daha pürüzsüz olur.

Boyundurukların iki ana işlevi vardır: betonun yanal basıncı altında kalıbın açılmasını önlemek ve yük ile basıncı krikolara aktarmak. Yatay destekler, kalıp gövdesinin bükülme direncini güçlendirir ve yükünü boyunduruklara aktarır.