파이프제조공정을포함하는다단자동단조공정의해석및설계 엄재근 김해지 * 전만수 ** 박상균 *** 류성욱 *** Simulation and Design of an Automatic Multi-Stage Forging Process Having a Pipe Making Process Eom Jae Gun, Kim Hae Ji, Joun Man Soo, Park Sang Gyun and Lyoo Song Wook Key Words : Inner Tube( 인너튜브 ), Piercing( 피어싱 ), rigid-plastic Finite Element Method( 강소성유한요소법 ), Ductile Fracture( 연성파괴 ), Critical Damage( 임계손상도 ), Automatic Forging Simulation( 자동단조시뮬레이션 ) Abstract In this paper, special topics in automatic forging simulation of the automatic multi-stage cold forging processes are studied and the related techniques are presented with their application example. The characteristics of the processes are taken into account with emphasis on the forging simulation. The flow stress of a mild steel SWCH1A in large strain is achieved by using the results of the tensile test. Special frictional conditions of the automatic multi-stage forging processes are considered. The presented approach is applied to developing a near-optimal process for mass production of the inner tube of an automotive part by an automatic multi-stage forging machine. 1. 서론 자동다단단조기 (automatic multi-stage forging machine) 는대량생산의단조품제조목적으로널리사용되고있다. 과거에는볼트너트등표준품을대량생산하는목적으로주로사용되었으나, 최근에는국내의자동차및부품산업이일정규모를넘어서면서자동다단단조의비중이점증하고있다. 자동다단단조에서는일반적으로단수를크게할수있고비교적정교하게생산공정을관리할수있다. 따라서자동다단단조는무절삭부품의제조목적으로널리사용하고있다. 자동다단단조기의특징은단조중열처리및윤활처리가불가능하고코일에서절단된소재가바로투입되기때문에소재와금형이직접접촉하는영역이존재한다. 따라서단조중변형률이매우 회원, 경상대학교대학원기계공학과 E-mail : metalye@empal.com TEL : (55)751-5316 FAX : (55)751-5316 * 경상대학교대학원기계공학과 ** 경상대학교기계항공공학부 *** 성진파스너 크며, 부위별로마찰의조건이크게차이가날수밖에없으며, 정교한단조공정해석결과를얻기위해서는이러한점이고려되어야한다. 자동다단단조는단수가많기때문에설계가까다로우며장비자체가전용장비이기때문에시제품제작에도상당한어려움이따른다. 따라서단조시뮬레이션기술의활용이절실한분야이다. 자동다단단조관점에서볼때, 단조시뮬레이션의자동화는정교한해석결과의획득못지않게중요하며, 단조시뮬레이션관점에서볼때, 가장큰장애는피이싱공정이다 (1). 피어싱공정의해석에서는일반단조공정과는달리불필요한재료의분리작업이필요로하기때문이다. 피어싱과관련되는역학적현상은공구형상, 전단속도등의공정조건과재질에영향을받는다. 피어싱공정은소재의탄성및소성변형과파괴를동반한다. 그러므로공정의기하학적형태는간단하나역학적으로는문제가간단하지않다. 이런이유로피어싱공정에관한연구가활발하게진행되지못하였다. 단조중피어싱공정은파단을제외하면단조공정과별차이가없다. 소성가공공정중소재의파괴및파단에관한연구는많은학자들에의하 1
여실시되었으며 (2-8), 연성파괴이론 (9-11) 을이용한피어싱공정해석에관한연구가비교적많이이루어졌다. 9 년대중반에판재의블랭킹공정에관한파괴역학적접근이 S. H. Joeng 등 (6) 에의하여시도되었다. 그들은요소제거기법을제안하여손상도에근거한파괴판단방법으로판재의전단변형및파단과정을강소성유한요소법을이용하여해석하였다. Jeong 등이제시한방법과유사한방법이 Ceretti 등 (8) 과고대철등 (12) 에의하여절삭공정해석등의목적으로이용되었다. 요소제거기법에서는해석중요소의손상도가임계치에도달하면, 해당요소를제거함으로써손상도가임계치에도달하는통로를추적하여파단면을예측하였다. 이방법은간단하고기존의단조시뮬레이터를그대로사용할수있다는장점을가지고있는반면, 비정상적인단면을예측하는문제와그결과를이용하여후속공정을해석할수없는문제를안고있다. 그리고파단의시작점과파단의종결시점까지걸리는소요시간이실제의시간에비하여매우크게예측되는것으로조사되고있으며, 피어싱공정에서국부적인변형을표현하기위하여요소망을매우조밀하게해야하는단점도안고있다. 단조중피어싱공정에서야기된소재의전체적인변형형상이후속공정에비교적큰영향을미치는경우가허다하다. 이런점을감안하여이석원등 (13) 은다단단조공정의자동시뮬레이션 (14) 기능을중시하여연성파괴이론에근거한피어싱공정해석기법을제안하였으며, 냉간단조소재로서는비교적탄소함유량이많은 S45C 에적용한바있다. 본논문에서는자동다단단조의특징을고려한단조시뮬레이션의활용기술과적용사례를소개한다. 2. 인장시험과해석기술의접목을통한 소재물성치의획득 자동다단단조의가장큰특징은단조중에풀림처리등을실시할수없다는점이다. 이런이유로변형률이높은상태에서성형이이루어지기때문에고변형률에서의유동응력정보의획득이매우중요하다. 전만수등 (15) 은최근인장시험정보를이용하여비교적고변형률에대한유동응력의예측기술을개발하였다. 본논문에서는이기술을활용하여 SWCH1A 소재의변형저항식또는소성유동응력을구하고자한다. 인장시험으로부터진변형률 - 진응력관계의획득방법은참고문헌 (15) 로대신한다. Engineering stress 4 3 2 1..5.1.15.2.25.3.35 Fig. 1 Experimental results of the tensile test 인장시편은자동다단단조목적으로제조된코일형태의냉간단조용봉재를절단하여제조되었다. 단조용소재는압연후인발공정에의하여제조되며, 풀림열처리된것이다. ASTM E8 규격에의거하여인장시편의표점거리를 25.mm 로하였고, 시편의직경을 6.25mm 로하였다. 인장시험목적으로 Instron 8516(1 톤 ) 의장비가사용되었으며, 속도의영향을무시하고하중의급속한변화를추적할수있도록하기위하여충분히작은속도 (.1 mm/sec) 로실험을실시하였다. 시험결과를 Fig. 1 에나타내었다. 네킹이시작된지점에서의공칭변형률이약.135 이며, 이에해당하는진변형률은.127 이고인장강도는 438.MPa 이다. 연신율은약 3.7% 이다. 따라서네킹발생변형경화지수는.127 이다. Fig. 2 에서실선은공칭변형률과진변형률및공칭응력과진응력의관계를이용하여구한네킹시점까지의진변형률-진응력곡선이다. 네킹발생변형경화지수 (15) 는네킹발생시점에서진변형률과동일하므로 n =.127 이다. 그리고강도계수-변형경화지수모델 ( K n 모델 ) 로표 n 현된변형률-유동응력곡선, 즉 σ = K 의곡선이네킹시점에해당하는점 (Fig. 2 에서 U 점 ) 을지나가게함으로써값을구할수있다. 즉, K = 526.4 MPa 이다. 따라서다음의변형률-유동응력곡선을얻게된다. σ ecking point Engineering strain.127 = 526.4 MPa (1) 식 (1) 의변형률 - 유동응력관계곡선을 Fig. 2 에서점선으로나타내었다. 이곡선은네킹발생을강조하여구한것으로네킹발생및최대하중을정확하게예측할수있다. Fig. 3 에인장시험결과와식 (1) 로예측된인장시험의유한요소해석결과 (16) 를비교하고있다. 2
True stress 6 5 4 3 2 1 U..2.4.6.8 1. 1.2 1.4 1.6 True strain Fig. 2 True stress-strain curve, extrapolated by σ = K n 12 1 8 Calculated from Fig. 1 Extrapolated by σ = ecking point Predicted by σ = K n K n Measured 표값이 R (15) 이고인장하중에관한실험결과 해석결과 Fe 의차이가 F 일때, σ 구한응력 σ 에 σ F F e n = K Ft 와에서 를더해줌으로써유동응 력을보정하였다. 보정된진변형률-진응력곡선을식 (1) 의곡선과함께 Fig. 4 에나타내었다. Fig. 4 의보정된응력의타당성을조사하기위하여변형경화지수를네킹발생변형경화지수로둔상태에서강도계수 K 을변형률에대한계단형함수로간주하여구하였다. 이렇게구한변형저항식을이용하여인장시험을해석하였고, 그해석결과를실험결과및식 (1) 을이용하여예측한인장하중과 Fig. 5 에서비교하였다. Fig. 5 의비교결과, 보정된진변형률-진응력곡선에의하여인장하중의예측정도가크게개선되었음을알수있다. 8 Force 6 6 Modified by the presented approach 4 2 True stress 4 Calculated from Fig. 1 Extrapolated by σ = K n 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Elongation 2 Fig. 3 Comparison of experimental and predicted results of the tensile test 그림에서보는바와같이최대하중이작용하는위치와크기가일치함을알수있다. 네킹발생지점에서의최대하중의실험치와예측치는각각 1,95 와 1,932 이며, 연신량의실험치와예측치는각각 3.386mm 과 3.386mm 이다. 유한요소해석의특성을고려한다면, 두결과는일치한다고볼수있다. 문제는 Fig. 3 에서보는바와같이네킹발생시점이후에연신량의증가에따라인장시험에대한실험치와예측치의차이가커지며, 특히자동다단단조의경우, 단조중소재의변형률이네킹발생시점의변형률보다대개 1 배이상크다는데있다. 따라서식 (1) 또는 Fig. 2 의유동응력을직접사용하는데는한계가있으며, Fig. 2 의유동응력의적절한보정이필요하다. 한편, 네킹의발생과파단에이르는과정, 특히인장시편의형상변화를예측하기위해서는식 (1) 의변형률 - 유동응력곡선을사용해야한다. 본논문에서는인장시험에대한해석결과로부터어떤연신량에대하여최소단면에서구한변형률대 3 Force 12 1..2.4.6.8 1. 1.2 1.4 1.6 True strain 8 6 4 2 Fig. 4 Modified true stress and strain curve Predicted by the modified true stress-strain curve Predicted by σ = Measured 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Elongation Fig. 5 Comparison of predictions and experiments K n
(a) Product shape (a) Specimen (b) Predicted shape (b) Conventional manufacturing process Fig. 7 Inner tube and its conventional manufacturing process (c) Damage[17] (d) Effective strain Fig. 6 Finite element solution of the tensile test just before fracture Fig. 6 은식 (1) 의변형저항식을이용하여구한인장시험에관한유한요소해석결과이다. 그림으로부터파괴직전의소재의손상도를알수있으며임계손상도는약 2.2 임을알수있다. 3. 인너튜브단조공정의최적화 Fig. 7(a) 는단조공법으로개발하고자하는인너튜브 (inner tube) 의형상을나타내고있다. 인너튜브는노면의요철등으로부터유발되는진동을감쇠시키고, 상하이외의방향에대한강성을유지시킴으로써차체, 승객, 적하물등을보호하는자동차부품이다. 이제품은최근까지만하더라도 Fig. 7(b) 에서보는바와같이파이프를절단한후 2 개의공정을거쳐성형을실시한후마무리기계가공을거쳐제조되었다. 그러나생산량의증가와원가절감에대한요구가점증하여공정설계의획기적인변화가요구되어왔다. 4 공정설계의핵심은품질의만족과생산단가의최소화에있다. 품질은치수의정도로평가된다. 이제품의내경은가공이쉽지않으며, 절삭량을최소화시킴으로써생산단가를줄일수있기때문이다. Fig. 7(b) 의공정은고가의파이프재료를사용해야하며, 고객의설계변화에능동적으로대응할수없는문제점을안고있다. 따라서본연구에서는단조공법으로파이프를제조한후후속공정에서원하는형상으로성형하는공법을채택하였다. 후속공정에서치수의요구조건이비교적까다롭기때문에파이프의정도는매우중요하다. 따라서프레스절단으로발생한소재의비축대칭성을흡수하기위하여 Fig. 8(a) 에서보는바와같이업세팅공정을파이프제조공정이전에추가하였다. 두번째와세번째공정은파이프제조및피어싱공정이고, 네번째공정은최종제품의성공적성형을위하여필요한예비성형체를제조하는공정이며, 마지막공정은최종제품을성형하는공정이다. 이공정을설계하는데있어가장중요한요소는치수공차가허용공차이내에들게함으로써절삭량을최소화시키는데있다. 이공정은비교적치수공차가엄격하기때문에후속기계가공을실시하지않고단조품을바로사용하기에는다소부담이되는공차이므로개발과정에서시행착오가불가피하다. 따라서단조시뮬레이션기술의활용을통하여시행착오를줄일수있는좋은예이다. 개발하고자하는 5 단공정에대하여단조시뮬레이션을실시할때, 피어싱공정의해석이피어싱과정에서발생하는변형을고려하면서동시에후속공정에서연속적으로단조시뮬레이션이이루어져야하기때문에매우중요하다. 해석결과,
피어싱중손상도는임계치에도달하지않았으므로일정이상의피어싱이진행된이후에피어싱에의한분리가이루어진것으로간주하였다. 자동다단냉간단조공정이일반단조공정과다른점중의하나는단과단사이에풀림처리나윤활처리를할수없다는점이다. 풀림처리가불가능하기때문에변형률이매우큰값에도달하게되며, 윤활처리가불가능하기때문에윤활처리가되지않은영역 ( 단면과피어싱으로기존의윤활막이파괴된영역 ) 과그이외영역에서마찰특성이비교적큰차이를갖게된다. 따라서본논문에서는윤활막이파괴되지않은영역과단면및윤활막이파괴된영역을구분하였으며, 각각마찰계수를.5 와.1 로간주하였다. 2 장에서인장시험을통하여실험적으로구한보완된진변형률 - 유동응력곡선을사용하였다. Fig. 8 은예측결과와실험결과를나타내고있다. Fig. 8(a) 와 Fig. 8(b) 에서보는바와같이, 인너튜브의예측결과와실험결과의형상이일치됨을보였다. Fig. 9 는시작품과예측품의단면형상을비교하여나타내고있다. Fig. 9 에서사각표시가되어있는부위를와이어커팅기로분리하여인장시험을실시하였다. 그결과, 부위 1 의인장응력이 5 MPa, 부위 2 의인장응력이 54 MPa, 부위 3 의인장응력이 46 MPa, 부위 4 의인장응력이 445 MPa 로측정되었다. 인장강도는초기인장강도 357MPa 에비하여증가하였다. 그원인은변형경화에있다. 그런데부위 3 의경우, 부위 2 에비하여변형률이높은데도불구하고인장강도가작게예측된것은 Fig. 9 에서보는바와같이시편에서소성유동선도가절단된것에원인이있다고사료된다. 그리고피어싱된영역은반대편보다변형률이높기때문에인장강도가다소크게나타났다. (a) Predictions (b) Experiments Fig. 8 Comparison of predictions with experiments (a) Cross-sectional view of a test product 1.3.7.9 1.1 1.3 Piercing area 3.5 3. 2.5 2.5 2. 1.5 1.3 1.1.9.7 (b) Effective strain and metal flows Fig. 9 Comparison of the cross-sections 4. 결론 1 5Pa 2 54Pa 3 46Pa 4 445Pa 본연구에서는자동다단단조공정의시뮬레이션기술을이용하여자동차부품인인너튜브의자동다단단조공정의개발및최적화를실시하였다. 단조시뮬레이션관점에서자동다단단조의특징인고변형률, 마찰조건, 피어싱공정을포함한자동해석등이강조되었다. 특히고변형률에대응하기위한재료의물성치획득방법을상술하였다. 공정적용을위하여인장시험을통하여재료의유동응력과임계손상도값을구하였으며, 실험결과를공정설계에반영하였다. 해석결과와실공정결과를비교한결과, 단조품의형상과해석결과가매우잘일치하였다. 그리고각부위별인장강도를측정함으로써변형률의분포와소성유동선도가인장강도미치는영향을실험적으로분석하였다. 적용된예제는기존의파이프절단후냉간단조공법으로생산하던기존의공법에비하여원가경쟁력이월등히뛰어난것으로평가되었다. 5
후기 본연구는산업자원부지방기술혁신사업 [RT14-1-3] 지원으로수행되었습니다. 참고문헌 (1) Lange, K., 1985, "The Handbook of Metal Forming, " SME. (2) Murakawa, M., 1984, "Burr-Free Shearing," Adv. Tech. Plast. Vol. II, pp. 85-814. (3) Koga., Murakawa, M., 1996, "Application of Visioplasticity to Experimental Analysis of Shearing Phenomena," Adv. Tech. Plast., pp. 571-574. (4) Popat, P. B., 1989, "Finite Element Analysis of Blanking Process," J. Mech. Work. Tech., Vol. 18, pp. 269-282. (5) Choy, C. M., Balendra, R., 1995, "Simulation of the Effect of Tool Geometry Changes on Blanking Operations," Proc. 9th Int. Colf Forging Congress, Solihull, UK, pp. 217-222. (6) Jeong, S. H., Kang, J. J., Oh, S. I., 1996, "A Study on Shearing Mechanism by FEM," Proc. 5th ICTP, Vol. 2, pp. 631-634. (7) Brokken, D., Brekelmans, D. W. A. M., Baaijens, F. P. T., 1996, "umerical Analysis of the Metal Blanking Process," Adv. Tech. Plast., pp. 665-668. (8) Ceretti, E., Taupin, E., Altan, T., 1997, "Simulation of Metal Flow and Fracture Applications in Orthogonal Cutting, Blanking and Cold Extrusion," Annals of the CIRP, Vol. 46, pp. 187-19. (9) Clift, S. E., Hartley, P., Sturgess, C. E.., Rowe, G. W., 199, "Fracture Prediction in Plastic Deformation Process," Int. J. Mech. Sci., Vol. 32, pp. 1-17. (1) Kim, H., Yamanaka, M., Altan, T., 1995, "Prediction and Elimination of Ductile Fracture in Cold Forgings Using FEM Simulations," Trans. AMRI/SME, Vol. XXIII, pp. 63-69. (11) Wifi, A. S., El-Abbasi,., Abdel-Hamid, A., 1995, "A Study of Workability Criteria in Bulk Forming Processes", Materials Processing Defects(Ed. by S. K. Ghosh and M. Predeleanu), pp. 333-357. (12) Ko, D. C., Kim, B. M., Ko, S. L., 1998, "Rigid- Plastic Finite Element Analysis of Burr Formation at the Exit Stage in Orthogonal Cutting," KSPE, Vol 15, pp. 125-133. (13) Lee, S. W., Choi, D. Y., Joun, M. S., 1992, "Rigid- Viscoplastic Finite Element Analysis of Piercing Process in Automatic Simulation of Multi-Stage Forging Processes," Trans. of Mat. Proc., Vol. 8, o. 2, pp. 216-221. (14) Joun, M. S., Moon, H. K., Shivpuri, R., 1998, "Automatic Simulation of a Sequence of Hot-Former Forging Processes by a Rigid-Thermoviscoplastic Finite Element Method," ASME Trans., J. Eng. Mat. Tech., Vol. 12, pp. 291-296. (15) Joun, M. S., et al., 26, "Methodology of 6 Acquisition of True Stress-Strain Curves over Large Strain by the Tensile Test," in processing. (16) Joun, M. S., Lee, M. C., 25, "Quadrilateral Finite- Element Generation and Mesh Quality Control for Metal Forming Simulation," Int. J. umer. Methods Eng. Vol. 4, pp. 459-475. (17) McClintock, F. A., 1968, "A Criterion for Ductile Fracture by the Growth of Hole," J. Appl. Mech., Vol. 35, pp. 363-371, 1968.