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부자 빙
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1 [ 논문 ] 한국소성가공학회지, 제 22 권제 6 호, Transactions of Materials Processing, Vol.22, No.6, 소성유동선도를강조한소성가공시뮬레이션과그적용사례 엄재근 1 정승원 2 전만수 # Metal Forming Simulation with Emphasis on Metal Flow Lines and its Applications J. G. Eom, S. W. Jeong, M. S. Joun (Received June 19, 2013 / Revised July 22, 2013 / Accepted July 26, 2013) Abstract In this paper, the flow lines as a function of product design as well as the forging process design are explored using typical application examples. The prediction of flow lines using metal forming simulation technology is introduced along with their characterization. Experimental studies have shown that the metal flow lines have a strong influence on the structural rigidity of the final product. In this study we present several typical applications. One example is the case of severely cut metal flow lines during machining, especially in the region where periodic contacting forces are applied. Another example is the case of abnormal distortion of flow lines which can cause too much elongation or hot shortness due to viscous heating in the region of distortion. A third example is the case of a macrosegregation region which needs to be controlled so it is not adjacent to the region where the force is applied in the use of the final component. An example of weight reduction for an automobile component with improved flow lines is also introduced. These typical applications can provide process engineers with the insight in designing automobile or mechanical components as well as in designing the manufacturing methods to produce various parts. Key Words : Failure in Metal Forming, Metal Flow Lines, Strength of Product, Metal Forming Simulation 1. 서론 소성가공공정의개발과정에서많은비용과소요시간을투자함에도실패하는경우가많다. 소성가공시뮬레이션기술은결함제거에매우효과적이며많은비용과시간이소요되는시행착오를대체하고있다 [1~3]. 미충진결함이나겹침결함의경우소성가공시뮬레이션기술을사용하여손쉽게수정할수있으며, 많은실제상황에서이러한결함은경험을바탕으로도제거할수있다. 그러나소성유동선결함은 경험적으로제거하기는매우어려우며, 대부분의동력전달부품은고유의최적의소성유동선을갖고있다. 소성유동선은주조된소재를사용하여압출, 압연, 인발등의공정을거처단조용소재로제조하는과정에서형성된다. 즉, 주조공정에서형성된결정은길이방향으로변형되거나배열된다. 그소재를길이방향으로자른후그단면을연마하여화학적으로부식시키면, 결정경계가먼저부식되면서길이방향으로형성된결이가시화된다. 이러한결정들의길이방향의배열을소성유동선 (metal flow lines) 1. 경상대수송기계부품기술혁신센터 2. 경상대학교기계공학부대학원 # Corresponding Author : School of Mechanical and Aerospace Engineering. Gyeongsang National University, msjoun@ gnu.ac.kr

324 엄재근 정승원 전만수 Contacted Experiment Prediction Contacted Non-contacted Non-contacted (a) SCM435 (b) ESW105 Fig.

1(a) 는압출공정의소성유동선을나타내었다. 압출이실시되지않는부분에서도소성유동선이형 성됨을볼수있으며압출, 단조과정에서소성유동 선이새로이형성되는것이아니라그무늬만바뀌 는것을의미한다. 소성유동선은구조강도와깊은연관이있으며, 최 적화된소성유동선을찾는연구는매우중요함에도 불구하고활발하지않다 [5~8].

따라서실험과 해석을바탕으로소성유동선을최적화할수있는 보다체계적인접근이필요하다. 본논문에서는소성유동선을고려한공정설계의 중요성을적용사례를이용하여강조하였으며, 구조 강도에미치는소성유동선의효과를적용경험을 바탕으로소개한다. 2. 소성유동선해석 Fig. 1 에서 SCM435 와 ESW105 두재료에대하여 축대칭압출공정의실험과해석결과를비교하였다 [4].

소성가공시뮬레이션기술은소성유동선을세부 적으로예측하는데매우효과적이다. 소성유동선도의예측기법은그결과에상당히큰 영향을미친다. Zhang[7] 의연구에서소성유동선의결 과가상당한오차를보이고있다. Joun[8] 등은 2 차원 소성유동선의정교한예측기법을개발하였으며, 최 근에는 3 차원소성유동선의예측기법을개발하였 다 [9]. Fig. 2 는대표적인적용예제를나타내고있다.

2 324 엄재근 정승원 전만수 Contacted Experiment Prediction Contacted Non-contacted Non-contacted (a) SCM435 (b) ESW105 Fig. 1 Comparison of metal flow lines between experiments(left) and predictions(right) of a forward extrusion process 이라고한다. 소성유동선은소재의거시적특성에 직접적인영향을미치며, 단조품의소성유동선의 건전성을평가하는측면에서도매우중요하다. Fig. 1(a) 는압출공정의소성유동선을나타내었다. 압출이실시되지않는부분에서도소성유동선이형 성됨을볼수있으며압출, 단조과정에서소성유동 선이새로이형성되는것이아니라그무늬만바뀌 는것을의미한다. 소성유동선은구조강도와깊은연관이있으며, 최 적화된소성유동선을찾는연구는매우중요함에도 불구하고활발하지않다 [5~8]. 대부분의경우최적 화된소성유동선은과학적증거가아닌, 전문가들의 통찰력에의해결정되고있다. 대부분의전문가들은 일그러진소성유동선보다부드러운소성유동선을 선호하며불연속한소성유동선은바람직하지않다 고경험적으로생각한다. 사실많은공정설계기술 자와기계부품설계기술자들에게최적화된소성 유동선에대한근거자료가부족하다. 따라서실험과 해석을바탕으로소성유동선을최적화할수있는 보다체계적인접근이필요하다. 본논문에서는소성유동선을고려한공정설계의 중요성을적용사례를이용하여강조하였으며, 구조 강도에미치는소성유동선의효과를적용경험을 바탕으로소개한다. 2. 소성유동선해석 Fig. 1 에서 SCM435 와 ESW105 두재료에대하여 축대칭압출공정의실험과해석결과를비교하였다 [4]. (a) 2D (b) 3D Fig. 2 Comparison of metal flow lines obtained by 2D and 3D simulations ESW105 는압출공정전열처리를실시한선조질강 이며압출공정과정에서소성유동선이지워지거나 변형되지않는다. 두재료를압출한실험과해석결 과, 끝모양이매우비슷하며펀치의가장자리또한 매우유사함을확인할수있다. 소성가공시뮬레이션기술은소성유동선을세부 적으로예측하는데매우효과적이다. 소성유동선도의예측기법은그결과에상당히큰 영향을미친다. Zhang[7] 의연구에서소성유동선의결 과가상당한오차를보이고있다. Joun[8] 등은 2 차원 소성유동선의정교한예측기법을개발하였으며, 최 근에는 3 차원소성유동선의예측기법을개발하였 다 [9]. Fig. 2 는대표적인적용예제를나타내고있다. Fig. 2 에서 2 차원과 3 차원의소성유동선을비교하였 다. 선행연구 [10] 에서 2 차원해석결과를실험결과와 비교하였으며서로잘일치하는결과를얻었다. Fig. 2 의 2 차원과 3 차원의해석결과의비교에서보는바와 같이, 두결과의이론적배경의차이와기법의수치 적차이로인하여미미한차이는불가피하지만, 그 차이는공학적관점에서무시할수있다. 전반적으로 볼때, 사각형요소의축소적분과사면체요소의 MINI- 기법의사용으로인한 2 차원과 3 차원결과의차이는 불가피하며, 하부에서의소성유동차이는 3 차원해석 에서적은요소로인하여다소불가피한요소밀도의 영향과마찰을반영하는기법의영향에따른것이다. 3. 소성유동선을고려한공정설계 3.1 소성유동선에의한강도저하 Fig. 3 과같이등속조인트 [11] 에대한서로다른두 개의 3 단축대칭열간단조공정은매우다른소성유동

소성유동선도를강조한소성가공시뮬레이션과그적용사례 325 Vertical Horizontal Vertical Horizontal (a) Unsound (b) Sound Fig. 3 Two metal flow lines for two different process designs (a) Experiment (b) Prediction Fig.

4와같이다소다른유효응력분포를발생시켰으며, 이는두번째단계의금형형상의차이로인해나타났다. Fig. 5는인장하중의실험결과를나타내었으며, 실험결과 Fig. 3의왼쪽소성유동선을가진단조품이오른쪽소성유동선을가진단조품보다약 20% 정도 적게인장하중을지탱하였다. 그이유는복잡하다. 물론소성유동선자체는구조강도에직접적인영향을미칠수있다.

3 소성유동선도를강조한소성가공시뮬레이션과그적용사례 325 Vertical Horizontal Vertical Horizontal (a) Unsound (b) Sound Fig. 3 Two metal flow lines for two different process designs (a) Experiment (b) Prediction Fig. 6 Comparison of metal flow lines A (a) Unsound (b) Sound Fig. 4 Effective strain distribution Fig. 5 Experiment of tensile load 선을형성했다. 소성유동선의차이는 Fig. 4와같이다소다른유효응력분포를발생시켰으며, 이는두번째단계의금형형상의차이로인해나타났다. Fig. 5는인장하중의실험결과를나타내었으며, 실험결과 Fig. 3의왼쪽소성유동선을가진단조품이오른쪽소성유동선을가진단조품보다약 20% 정도 적게인장하중을지탱하였다. 그이유는복잡하다. 물론소성유동선자체는구조강도에직접적인영향을미칠수있다. 깨진영역에서의잘못된공정설계로인한뒤틀린소성유동선은 Fig. 4에서보는바와같이그부위에심한변형을야기시키며이로인한소성열은결과적으로고온취성으로인한구조강도의저하를초래한다. 3.2 비대칭소성유동선 어떤부품은기하학과역학적대칭면을모두갖고있으며이경우, 그최적설계는기계적특성에관한대칭요구사항을충족해야한다. 특히대칭부분이마멸에노출되어있을때소성유동선은대칭이어야하며비대칭일경우강한쪽이정상상태를유지를하더라도약한쪽에서조기파열이나마모가발생할수있다. 전형적인예는허브베어링제조업체에서발견되었다. Fig. 6은베어링부품에대한 3D 열간단조공정해석결과와실험결과의소성유동선을비교하였다. 공정에대한자세한정보는참고문헌 [12] 으로대신한다. 이예제는단조품의표면결함이없음에도불구하고비대칭및부적합한소성유동선으로인해실패한공정설계를보여주는전형적인예이며특히소성가공시뮬레이션의중요성을강조하고있다. 3.3 최적의소성유동 Fig. 7(a) 에서는과거에경험에의해개발된자동차부품단조공정의실험결과와해석결과를비교하였고, Fig. 7(b) 에서는최적화된단조공정에의하여제조된제품을나타내었다 [13].

326 엄재근 정승원 전만수 려하여최적의단조공정설계의중요성을강조하고있다. 실제로소성유동선의최적화는강도증가의효과가있으므로경량화및환경보호에공헌할수있다. (a) Conventional (b) Optimized Fig. 7 Metal flow line optimization and weight reduction of an automobile part 3.

Fig. 8(a) 는편석영역이하부에위치해있으며반대쪽의소성유동선역시절단되는전형적인불량소성유동선을가진생산품을보여준다. Fig. 8(b) 는최적화의결과로획득된최적소성유동선을나타낸다. 4. 결론 (a) Conventional (b) Optimized Fig.

4 326 엄재근 정승원 전만수 려하여최적의단조공정설계의중요성을강조하고있다. 실제로소성유동선의최적화는강도증가의효과가있으므로경량화및환경보호에공헌할수있다. (a) Conventional (b) Optimized Fig. 7 Metal flow line optimization and weight reduction of an automobile part 3.4 편석영역수정 주조과정에서재료의좋지않는특성을가진편석부분이형성되며, 이는강도를저하시키는요인이다. 따라서대부분의동력전달부품에대해편석부분은신중하게통제해야한다. Fig. 8과같이플랜지를가진자동차부품에대한실제응용사례에서찾아볼수있다. Fig. 8(a) 의불량소성유동선은 Fig. 8(b) 의소성유동선을최적화하기위해시뮬레이션기술을적용하기이전에자동차부품에사용되었다. Fig. 8(a) 는편석영역이하부에위치해있으며반대쪽의소성유동선역시절단되는전형적인불량소성유동선을가진생산품을보여준다. Fig. 8(b) 는최적화의결과로획득된최적소성유동선을나타낸다. 4. 결론 (a) Conventional (b) Optimized Fig. 8 Optimized placement of macrosegregation region 과거의제품에비해새제품은최적화된소성유 동선에의한구조강도의증가로무게를약 10% 감 소시키는데기여하였다. 이예제는소성유동선을고 소성가공시뮬레이션은소성가공공정의개발에필수가되었다. 컴퓨터하드웨어기술의발전에의해주요문제는학문적연구대상에서적용의영역으로옮겨왔다. 소성가공품의소비자들은이기술을사용하도록제조업체에요청하는빈도가증가할것이다. 특히소성가공시뮬레이터의응용프로그램은자동차산업에필수적이되었다. 소성가공시뮬레이션기술의가장중요한역할중하나는이기술없이는달성될수없는최적화된소성유동선을획득할수있도록하는것이다. 본논문에서는소성유동선은제품의구조강도에큰영향을미친다는것을전형적인적용사례를통해강조하였다. 예를들어기계가공시에소성유동선의절단은특정영역에서최소화되어야한다. 과도한국부소성열에의한고온취성이나큰연신율이손상된소성유동선을발생시킬수있기때문이다. 또한편석영역이힘지지영역과인접하지않도록통제되어야한다. 후기 본연구는교육과학기술부와한국연구재단의지역

5 소성유동선도를강조한소성가공시뮬레이션과그적용사례 327 혁신인력양성사업과중소기업청의업종공통기술개발사업의지원을받아수행된연구임. REFERENCES [1] M. S. Joun, M. C. Kim, D. J. Yoon, H. J. Choi, Y. H. Son, 2011, Proc. ASME 2011 Int. Manu. Sci. Eng. Conf., ASME, Oregon, USA, p [2] M. S. Joun, M. C. Lee, J. G. Eom, 2011, Proc. ASME 2011 Int. Manu. Sci. Eng. Conf., ASME, Oregon, USA, p [3] H. K. Moon, J. S. Lee, S. J. Yoo, M. S. Joun, J. K. Lee, 2007, Hot Deformation Behavior of Bearing Steels, J. Eng. Mater. Technol., Vol. 129, No. 3, pp. 349~355. [4] M. S. Joun, J. G. Eom, M. C. Lee, J. H. Park, D. J. Yoon, 2008, Tensile Test Based Material Identification Program AFDEX/MAT and its Application to Two New Pre-heat Treated Steels and a Conventional Cr-Mo Steel, Int. J. Modern Physics B, Vol. 22, No. 31~32, pp. 5774~5779. [5] M. Arentoft, P. Henningsen, N. Bay, 1994, Simulation of Defects in Metal Forming-an Example, J. Mater. Process. Technol., Vol. 45, No. 1~4, pp. 527~532. [6] P. Petrov, V. Perfilov, S. Stebunov, 2006, Prevention of Lap Formation in Near Net Shape Isothermal Forging Technology of Part of Irregular Shape Made of Aluminum Alloy A92618, J. Mater. Process. Technol., Vol. 177, No. 1~3, pp. 218~223. [7] Y. Zhang, D. Shan, F. Xu, 2009, Flow Lines Control of Disk Structure with Complex Shape in Isothermal Precision Forging, J. Mater. Process. Technol., Vol. 209, No. 2, pp. 745~753. [8] M. S. Joun, S. W. Lee, J. H. Jung, 1998, Finite Element Analysis of a Multi-stage Axisymmetric Forging Process Having a Spring-attached Die for Controlling Metal Flow Lines, Int. J. Mach. Tools Manuf., Vol. 38, No. 7, pp [9] M. S. Joun, M. C. Lee, J. G. Eom, 2013, Proc. Kor. Soc. Tech. Plast. Spring Conf., Kor. Soc. Tech. Plast., Seoul, Korea, pp. 106~109. [10] M. S. Joun, AFDEX 2D, Metal Forming CAE 2008, pp. 187~188. [11] Y. B. Yu, 2008, Yu Young Bong s Wheel Alignment, Goldenbell, Seoul, Korea, pp [12] M. S. Joun, H. K. Moon, R. Shivpuri, 1998, Automatic Simulation of a Sequence of Hot-former Forging Processes by a Rigid-thermoviscoplastic Finite Element Method, J. Eng. Mat. Tech., ASME, Vol. 120, No. 4, pp. 291~296. [13] H. K. Moon, S. C. Moon, J. G. Eom, M. S. Joun, 2005, Optimization of a Hot Forging Process using Six Sigma Scheme and Computer Simulation Technology Considering Required Metal Flow Lines, Trans. Mater. Process., Vol. 14, No. 9, pp. 798~803.

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. vol. 29, no. 10, Oct ,,. 0.5 %.., cm mm FR4 (ε r =4.4)

THE JOURNAL OF KOREAN INSTITUTE OF ELECTROMAGNETIC ENGINEERING AND SCIENCE. 2018 Oct.; 29(10), 799 804. http://dx.doi.org/10.5515/kjkiees.2018.29.10.799 ISSN 1226-3133 (Print) ISSN 2288-226X (Online) Method