Deep Drawing Performance of AISI 304 Austenitic Stainless Steel Square Cups: Die Geometry and Parameter Optimization

Öz

This study experimentally investigates the effects of die geometry (matrix radius: 4, 6, 8 mm; die-blank holder angle: 0°, 5°, 10°, 15°) and process parameters (blank holder force (BHF): 5500, 7950, 10400 N) on the formability of AISI 304 austenitic stainless steel sheets in square cup deep drawing. A full factorial experimental design (36 combinations) was employed to analyze the variations in maximum punch force, wrinkling, tearing, and earing defects. Results indicate that optimal performance is achieved with a die angle of 5°-10°, matrix radius of 6-8 mm, and blank holder force of 7950-10400 N. While a 10° angle increased tearing risk, increasing the radius to 8 mm reduced wrinkling but caused localized stress concentration. Higher blank holder force minimized wrinkling but limited plastic deformation due to over-constraint. These findings provide critical insights for parameter optimization in industrial applications to achieve defect-free production.

Anahtar Kelimeler

• Deep drawing
• AISI 304
• parameter optimization
• formability

AISI 304 Östenitik Paslanmaz Çelik Kare Kapların Derin Çekme Performansı: Kalıp Geometrisi ve Parametre Optimizasyonu

Öz

Bu çalışmada, AISI 304 östenitik paslanmaz çelik sacların kare kap derin çekilmesinde kalıp geometrisi (matris radyüsü: 4, 6, 8 mm; matris-baskı plakası açısı: 0°, 5°, 10°, 15°) ve işlem parametrelerinin (baskı plakası kuvveti (BPK): 5500, 7950, 10400 N) şekillendirilebilirlik üzerindeki etkileri deneysel olarak araştırılmıştır. Tam faktöriyel deney tasarımı (36 kombinasyon) kullanılarak maksimum zımba kuvveti, ondülasyon, yırtılma ve kulaklanma gibi kusurların parametrelere bağlı değişimi analiz edilmiştir. Sonuçlar, matris açısının 5°-10° aralığında, matris radyüsünün 6-8 mm’de ve BPK’nın 7950-10400 N aralığında optimal performans sağladığını göstermiştir. Özellikle 10° açıda yırtılma riski artarken, radyüsün 8 mm’ye çıkarılması ondülasyonları azaltmış ancak lokal gerilim birikimine neden olmuştur. BPK’nın artması, ondülasyonları minimize etmiş ancak aşırı sıkıştırma plastik deformasyon kapasitesini sınırlamıştır. Bu bulgular, endüstriyel uygulamalarda kusursuz üretim için parametre optimizasyonuna kritik katkı sağlamaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Derin çekme
• AISI 304
• parametre optimizasyonu
• şekillendirilebilirlik

Kaynakça

1. Kayhan E, Kaftanoğlu B. Yüksek Mukavemet Çeliklerinin Derin Çekme Oranlarının Geliştirilmesi İçin Yapılan Deneysel Çalışmalar. Mak Tas İmlt Derg 2016;14(2):77-87.
2. Luo L, Wei D, Zu G, Jiang Z. Influence of blank holder-die gap on micro-deep drawing of SUS304 cups. Int J Mech Sci 2021;191(April 2020):106065.
3. Dal SR. Analysis of Wrinkling in Deep Drawing Processes. MSc, Middle East Technical University, Ankara, Turkey, 2019.
4. Gallée S, Pilvin P. Deep drawing simulation of a metastable austenitic stainless steel using a two-phase model. J Mater Process Technol 2010;210(6-7):835-843.
5. Collins DA, Carter EL, Lach TG, Byun TS. A comprehensive study of the effects of long-term thermal aging on the fracture resistance of cast austenitic stainless steels. Nucl Eng Technol 2022;54(2):709-731.
6. Zhang H, Li C, Xu M, et al. The fatigue performance evaluation of additively manufactured 304L austenitic stainless steels. Mater Sci Eng A 2021;802(October 2020):140640.
7. Tekaslan Ö, Gerger N, Şeker U. AISI 304 östenitik paslanmaz çeliklerde kesme parametrelerine bağlı olarak yüzey pürüzlülüklerinin araştırılması. BAÜ FBE Derg 2008;10(2):3-12.
8. Sener B, Kurtaran H. Optimization of process parameters for rectangular cup deep drawing by the Taguchi method and genetic algorithm. Mater Test 2022;58(3):238-245.

9. Ballıkaya H, Savaş V, Özay Ç. Investigation of Sheet Thickness and Punch Force in Die Surface Angled Hydro-mechanical Deep Drawing Method. El-Cezeri. 2023;10(3):475-491.
10. Ballikaya H, Savas V, Ozay C. The limit drawing ratio in die angled hydromechanical deep drawing method. Int J Adv Manuf Technol 2020;106(1-2):791-801.
11. Özek C, Ünal E. The effect of die/blank holder angles on limit drawing ratio and wall thickness in deep drawing of square cups. GUMMFD. 2012;27(3):615-622.
12. Özek C, Ünal E. Optimization and modeling of angular deep drawing process for square cups. Mater Manuf Processes 2011;26(9):1117-1125.
13. Özek C, Bal M. The effect of die/blank holder and punch radiuses on limit drawing ratio in angular deep-drawing dies. Int J Adv Manuf Technol 2009;40(11-12):1077-1083.
14. Özek C, Taşdemir V. AA 5754-O alaşiminin ilik derin çekilmesi üzerine kalip yüzey açisi ve baski plakasi kuvvetinin etkisinin deneysel araştirilmasi. GUMMFD. 2017;32(1):193-201.
15. Tekaslan Ö, Gerger N, Şeker U. Determination of spring-back of stainless steel sheet metal in “V” bending dies. Mater Des 2008;29(5):1043-1050.
16. Ünal E, Özek C. A study on the wall thickness in the angular deep drawing process. Mater Test 2017;59(2):178-182.
17. Takuda H, Mori K, Masachika T, Yamazaki E, Watanabe Y. Finite element analysis of the formability of an austenitic stainless steel sheet in warm deep drawing. J Mater Process Technol 2003;143-144(1):242-248.