Determination of residual stresses in cold extruded parts by contour method

Kalıntı gerilmeler, herhangi bir dış yükün yokluğunda tüm katı gövdeye dağılmış olan kendi kendini dengeleyen gerilmelerdir. Yeniden kristalleşme olmadan yeniden kristalleşme sıcaklığı altında, soğuk şekillendirme işlemleri sırasında bu gerilimler doğal olarak mühendislik malzemeleri için önemli ölçüde yüksek değerlere yükselir. İleri soğuk ekstrüzyon yöntemi artık gerilmelerin ürünün mekanik özelliklerini ve ömrünü önemli ölçüde etkileyebilecegi şekillendirme işlemlerden biridir. Bu nedenle, bir parçanın kalitesi için artık gerilmeler bilinmelidir. Yüzey (kontur) yöntemi, bir bileşendeki artık gerilmeleri ölçmek için geliştirilmiş yeni bir deneysel yöntemdir. Kontur yöntemi, kesit boyunca iki boyutlu artık gerilme haritasını belirlemek için önemli bir fırsat sağlamaktadır. Soğuk ekstrüze edilmiş çubuklarda ekstrüzyon yönünde olan eksenel artık gerilme, yorulma mukavemeti ve dayanıklılık üzerinde en etkili gerilim bileşeni olabilir. Bu çalışmada, üç farklı ekstrüzyon oranı ile üretilen asimetrik ve silindirik parçaların eksenel artık gerilmeleri ve ekstrüzyon oranının eksenel artık gerilmeleri üzerindeki etkileri yüzey yöntemi kullanılarak araştırılmıştır. Tüm kesitlerin kalıntı gerilim haritaları üç ekstrüzyon oranı için de elde edilmiş ve literatürdeki mevcut çalışmalardaki diğer yöntemlerle elde edilen bulgularla karşılaştırılmıştır. Potansiyel hata kaynakları olabilecek yüzey pürüzlülüğü, kesme koşulları gibi etkenler bu çalışma çerçevesinde incelenmiştir. Son olarak, deney sonucunu doğrulamak için sonlu elemanlar analiz yazilimlari kullanılarak ekstrüzyon işleminin sonlu elemanlar analizi (FEA) ve işlemin seçilen çeşitli parametreleri ile duyarlılık analizi gercekleştirilmiştir.

Residual stresses are self-equilibrating stresses scattered throughout whole solid body in the absence of any external load. Under recrystallization temperature without recrystallization, these stresses inherently increase up to considerable high values for engineering materials during cold forming processes. Forward cold extrusion is one of these forming processes to manufacture engineering components in which the effect of residual stresses might be significant on mechanical properties and lifetime of a product. For this reason, residual stresses must be known for the quality of a part. Contour method is relatively a new experimental method developed to measure residual stresses in a component. Contour method provides an invaluable opportunity to the researches to determine two-dimensional residual stress map all over cross section in a part. In cold-extruded rods, axial residual stress which is in extrusion direction might be the most effective component of all stress tensor at several mechanical properties such as fatigue strength and durability. Axial residual stress relaxes fully after perpendicular flat cut in a part. In this work, these axial residual stresses of the asymmetric and full cylindrical parts manufactured by cold extrusion with three different extrusion ratios and the effects of extrusion ratio on axial residual stresses were investigated using contour method. The maps of whole cross sections are obtained for all three extrusion ratios and compared to the findings by other methods in the existing works in literature. For contour method, wire electro-discharge machining (WEDM) was employed to cut very smoothly specimens whose materials are a type of case hardening steel in this work. The potential error sources and their contribution to the final results such as surface roughness, cutting conditions are studied in the frame of this work. Finally, finite element analysis (FEA) of full extrusion process using commercial codes in order to validate experimental result was implemented as well as sensitivity analysis of extrusion with the varied selected parameters of the process.