Numerical And Experimental Investigation Of Springback Of Aisi-301 Steels By Hydroforming With Membrane Diaphragm

Abstract

AISI-301 steels with their high strength and corrosion resistance, are widely preferred in the aerospace and automotive industries. One of the forming methods for this sheet metals is hydroforming on a form die. In this method, the high pressure transmitted to the part by the diaphragm ensures that the part takes the shape of the die geometry. However, during this forming operation, unpredictable amounts of springback can cause the part to be produced with undesirable deviations. In this study, the springback of AISI-301 sheet material after the hydroforming process was investigated. In this context, specimens with thicknesses of 0.635 mm, 1.016 mm, and 1.27 mm were subjected to hydroforming using a die with bending radius of 2.5 mm, 5 mm, 7.5 mm, and 10 mm and bending angles of 90° and 120° to examine the effects of thickness, bending angle, and bending radius on springback. Additionally, the finite element analyses of the forming process with these variables were conducted using the PAM-STAMP software. Both FEA and experiments have shown that in cases where the sheet thickness to bending radius ratio of AISI-301 stainless steel sheet material reaches 0.1, the amount of springback can reach up to 20 degrees.process with activation energies of Mo and Fe 25.62 kJ/mol and 19.51 kJ/mol, respectively.

Keywords

• AISI-301 Steel
• Hydroforming Process
• Springback
• Sheet Metal

Diyaframla Hidrolik Şekillendirmede Paslanmaz AISI-301 Çeliklerin Geri Esneme Miktarlarının Sayısal ve Deneysel İncelenmesi

Öz

AISI-301 çelik, yüksek mukavemet ve korozyon direnci özelliğiyle havacılık ve otomotiv endüstrilerinde sıklıkla tercih edilir. Bu malzemenin şekillendirilme yöntemlerinden biri de form kalıbı üzerinde hidroforming işlemidir. Bu yöntemle diyafram ile parçaya iletilen yüksek basınçla, parçanın kalıp geometrisini alması sağlanır. Ancak bu şekillendirme operasyonu esnasında öngörülemeyen geri yaylanma miktarları parçanın istenmeyen şekilde üretilmesine neden olabilir. Bu çalışmada AISI-301 çelik sac malzemenin hidroforming işlemi sonrasındaki geri yaylanması incelenmiştir. Geri yaylanmayı etkileyen faktörler olan kalınlık, büküm açısı ve büküm radyusunu incelemek üzere 0,635 mm, 1,016 mm ve 1,27 mm kalınlıkta numuneler, 2,5 mm, 5 mm, 7,5 mm ve 10 mm büküm yarıçapları ve 90° ve 120° büküm açısı olan kalıp üzerinde hidroformla şekillendirmeye tabi tutulmuşlardır. Aynı zamanda bu değişkenlerle şekillendirme prosesinin sonlu eleman analizleri PAM-STAMP programında gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçları ile deney sonuçları karşılaştırılarak yorumlanmıştır. Hem deneyler hem de sonlu eleman analizleri AISI-301 paslanmaz çelik sac malzemenin sac kalınlığı ve büküm radyusu oranın 0,1’e yaklaştığı durumlarda geri yaylanma miktarının 20 derecelere kadar çıktığı hesaplanmıştır.

Anahtar Kelimeler

• AISI-301 Çelik
• hidroforming işlemi
• Geri Esneme
• Sac Metal

References

1. [1] Tolga D., Costas S., Recent Developments In Advanced Aircraft Aluminium Alloys, 2014 https://doi.org/10.1016/j.matdes.2013.12.002
2. [2] Sun, C, and Ashfaq Adnan. Mechanics of Aircraft Structures. 3rd ed. Wiley, 2021
3. [3] R.Muraca, J.Whittick (1972) Materıals Data Handbook Stainless Steel Type 301, 2nd Edition
4. [4] Nayir, Hakan. (2023). Sempozyum Bildirisi: Paslanmaz Çeliklerde Bölgesel Korozyon (Localised Corrosıon On Stainless Steel).
5. [5] T. Altan, E. Tekkaya, Sheet Metal Forming Fundamentals, 2012
6. [6] Karaağaç, İ., & Özdemir, A. Sıvı basıncı ile sac şekillendirme (Sbş) yönteminin derin çekilebilirlik üzerine etkilerinin incelenmesi the investigation of sheet hydroforming process effect on deep drawability.
7. [7] Groover, M. P., Fundamentals of modern manufacturing: materials, processes and systems, 4th ed., 2010
8. [8] L.H. Lang, Z.R. Wang, D.C. Kang, S.J. Yuan, S.H. Zhang, J. Danckert, K.B. Nielsen, Hydroforming highlights: sheet hydroforming and tube hydroforming, Journal of Materials Processing Technology, Volume 151, Issues 1–3, 2004,Pages 165-177, ISSN 0924-0136, https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2004.04.032.

9. [9] Civelek F. ve Özdemir A., “Sac metal malzemelerin şekillendirilebilirlik kriterlerinin değerlendirilmesi”, Politeknik Dergisi, 27(4): 1617-1631, 2024
10. [10] Koç M (2008) Hydroforming for advanced manufacturing, 1st edn. Woodhead Publishing Limited, Cambridge England
11. [11] Aydogan, C.S.; Hatipoglu, H.A.; Keles, O. Springback prediction of CP2 titanium sheets in hydroforming with membrane diaphragm process with finite element method. MATEC Web Int. Conf. New Form. Technol. (ICNFT 2018). 2018
12. [12] M. Satyanarayana Gupta, D. Ramana Reddy, Design And Analysis Of Aircraft Sheet Metal For Spring Back Effect, Materials Today: Proceedings,Volume 4, Issue 8, 2017, https://doi.org/10.1016/j.matpr.2017.07.171
13. [13] Atlas of Stress-Strain Curves, second edition, ASM International, 2002
14. [14] ASM Handbook, Volume 14B, Metalworking: Sheet Forming, 2006
15. [15] Z. Marciniak V.D, Mechanics of Sheet Metal Forming, 2002
16. [16] L. Sayın, G. Basmacı, International Journal of Technological Sciences e‐ISSN 1309‐1220
17. [17] S.Kılıç, F. Öztürk, S. Toros, Makine Tasarım ve İmalat Dergisi, Cilt 11, Sayı 1, Mayıs 2009
18. [18] C.S. AYDOĞAN, Ti Alaşımlarının Diyaframla Hidrolik Şekillendirilmesinde Geri Esneme Miktarlarının Sayısal ve Deneysel İncelenmesi Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Temmuz 2015
19. [19] K. Beyazgül, Inconel 625 (AMS 5599) Alaşımının Diyaframla Hidrolik Şekillendirilmesinde Geri Esneme Miktarlarının Sayısal Ve Deneysel İncelenmesi Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Haziran 2019
20. [20] Mo, C.; Xu, Y.; Yuan, S. Analysis of Thickness Variation in 2219 Aluminum Alloy 16. Ellipsoid Shell with Differential Thickness by Hydroforming. Metals 2024, 14, 1140. https://doi.org/10.3390/met14101140
21. [21] Movahedi, M.R., Gerdooei, M. Analytical approach to investigate the effects of through-thickness stress on springback in bending of isotropic sheet metal. Int J Adv Manuf Technol (2024). https://doi.org/10.1007/s00170-024-13626-4
22. [22] Sun, Z., Lang, L. Effect of stress distribution on springback in hydroforming process. Int J Adv Manuf Technol 93, 2773–2782 (2017). https://doi.org/10.1007/s00170-017-0670-x
23. [23] Trzepieciński, T. Recent Developments and Trends in Sheet Metal Forming. Metals 2020, 10, 779. https://doi.org/10.3390/met10060779
24. [24] CINAR, Zeki, et al. Effect Of Springback On A6061 Sheet Metal Bending: a review. Jurnal Kejuruteraan, 2021, 33.1: 13-26.
25. [25] Joseph, Crisbon Delfina, "Experimental Measurement and Finite Element Simulation of Springback in Stamping Aluminum Alloy Sheets for Auto-Body Panel Application" (2003) https://scholarsjunction.msstate.edu/td/2146
26. [26] Pham, Q. T., Song, J. H., Park, J. C., & Kim, Y. S. (2019). Investigation of Springback Prediction for an Aluminum 7000 Sheet Subjected to Press Forming. In Applied Mechanics and Materials (Vol. 889, pp. 203–210). Trans Tech Publications, Ltd. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/amm.889.203
27. [27] E8/E8M-13a, Standard Test Methods for Tension Testing of Metallic Materials, American Association State Highway and Transportation Officials Standard
28. [28] PAM-STAMP 2022 User Guide, 2022