한국소성가공학회 2011 년도추계학술대회논문집 pp. 232~236 유한요소법을이용한냉간단조에서발생하는주요결함사례분석 (3) 파괴및소성유동선결함 김민철 1 이성원 2 이민철 1 전만수 # Case study on major defects in cold forging by finite element method (3) Fracture and metal flow line defect M. C. Kim, S. W. Lee, M. C. Lee, M. S. Joun Abstract In this paper, case study on major defects in cold forging is carried out using a finite element method. The representative fracture defects found from the related literature or industry are investigated with emphasis on the evolution of cracks. The predictions of defect formation are seen through metal flow lines or state variables including effective strain and damage. The cases of bad metal flow lines are also studied. Key Words : Cold Forging( 냉간단조 ), Fracture Defect( 파괴결함 ), Metal Flow Line( 소성유동선도 ), Finite Element Method( 유한요소해석 ) 1. 서론 냉간단조중발생하는결함중에서소성유동 선의단절이발생하지않은상태에서발생하는 결함, 가령겹침결함, 파이핑결함, 미충진결함, 데드메탈에의한결함들을선행논문 [1] 에서설 명되었다. 냉간단조중발생하는결함중에는크 랙에기인하는결함들이다수존재한다. 대표적인 것이중심파괴결함이다. 대개냉간단조중재료의파괴결함은손상도 이론으로설명되고있다. 손상도는모델 [2] 에따 라약간씩차이가있으나, 공통적으로정수압, 최 대주응력, 변형률등과밀접한연관관계를가지고 있다. 손상도이론에의하면어느정도의손상을 입은재료에는기공이형성되고이기공은손상 도의축적과함께성장하며, 파단직전에는기공간 의결합이발생한다. 이때의손상도를임계손상 1. 경상대학교기계공학과대학원 2. 경상대학교기계공학부 # 경상대학교기계공학부 / 공학연구원 E-mail: msjoun@gnu.ac.kr 도라고하며, 재료의물성치이지만, 불순물의게 재여부, 열처리조건, 합금의조성등에민감하 게변하는특성이있다. 따라서파괴결함의예측 에는매우신중한접근이필요하며, 장기적인경 험과지속적인탐구정신이요구된다. 파괴결함에서는내부크랙발생에의한것과외부크랙발생에의한것으로구분할수있다. Fig. 1 에주요파괴결함의실험및해석사례를나타내었다. 물론많은연구자들에의하여냉간단조중에 발생하는파괴결함이다양하게조사되어있으며, 각종기술자료에그개념도가소개되어있다 [3-7]. 본연구에서는단조시뮬레이션기술의적용과정에서발굴된결함발생예제와문헌에서발굴된결함발생예제를대상으로유한요소해석을실시함으로써결함의발생원인을체계적으로소개함으로써냉간단조기술의발전에보탬이되고자한다. 본연구에서는파괴해석을위하여특별한조건 (n 값을 1.0 으로가정 ) 의 McClintock 손상도모 - 232 -
한국소성가공학회 2011 년도추계학술대회논문집 pp. 델 [8] 을사용하였으며, 마찰계수를 0.05 로가정하였으고재료의속도의존성은고려하지않았다. Fig. 3 History of the facture defect formation (b) External (b) Internal Fig. 1 Examples of fracture defect 2. 파괴결함 2.1 스퍼어기어단조중파괴결함사례 Fig. 2(a) 는일본의 ASAHI SUNAC사 [9] 에서실시한실험결과이며, Fig. 2(b) 는 AFDEX 3D를이용하여파단해석을실시한결과이다. 이연구에서사용 0.14 된재료의유동응력은 σ 355.4(1 ε / 0.021) 이다. Fig. 2(a) 의실험결과와 Fig. 2(b) 의해석결과는매우잘일치하고있다. Fig. 3은파괴결함이발생하는과정을가시화한것이다. 2.2 전방압출중발생가능한파괴결함 Fig. 4 는전후방압출시에발생하기쉬운파괴결함사례를나타내고있다. 전후방압출시에그림에서보는바와같이한쪽이중공축을형성할경우, 중간부분에서인장력이강하게작용할수밖에없다. 하부의소성유동을유발시키기위하여중간지점에서의인장력의부과가필수적이기때문이다. 물론하부로의소성유동이펀치의하강속도에비하여클경우는상황이다르다. 손상도가유동응력에미치는영향을무시하고선행논문 [10] 의 ESW105 와 SCM435 의유동응력정보를이용하여시뮬래이션한결과를 Fig. 4 에나타내었다. SCM435 의해석시에임계손상도값을 1.4 으로간주하였고, 유사한결함을예측하기위하여 ESW105 의해석시에는임계손상도값을 2.0 로간주하였다. 이것은변형경화가클수록손상도의축적이상대적으로작게누적됨을의미한다. 이결과에서눈여겨보아두어야할점은하단부의모양이다. 이러한모양의차이는선행연구 [10] 에서밝힌바와같이변형경화능의영향에기인하는것이다. (a) Experiments (b) Predictions Fig. 2 Fracture occurring in spur gear forging Fig. 4 Fracture occurring in forward and backward extrusion - 233 -
True stress [MPa] 2.3 표면파괴결함사례 Fig. 5 는후방압출시의표면파괴결함의해석결과이다. 이예제는관련문헌 [11] 에서표면결함발생가능사례로소개된것이다. 이결과는비교적파손이쉽게발생하는재료의컵후방압출시컵바닥이과도하게압착성형될경우표면결함을발생시킬수있음을암시하는것이다. 해석시에강제적으로내부크랙이발생하도록유도하기위하여 SCM435 의경우에는임계손상도를 0.15 로하였고유사한내부크랙이발생하도록하기위하여 ESW105 의경우에는임계손상도를 0.2 로간주하였다. 이수치는비교적작은값이므로, 실제파괴가발생하였다면, 그리고재료의임계손상도가이수치보다훨씬클경우, 연성파괴이론만으로이파괴를논할수는없을것이다. 그림의오른쪽의변형률분포에서보는바와같이파괴발생부위에서높은변형률은재료를취성화시키며, 이런이유로낮은손상도값에서도파단이발생할가능성이있기때문이다. 이결과도 2.3 절의결과와마찬가지로변형경화능이클수록손상도의누적측면에서유리하다는것을암시한다. 물론실공정에서크랙발생여부는그소재의실제임계손상도에의존한다는점을강조해둔다. 14.0mm 이다. 실제상용탄소강의인장시험등을통해서파단시의상태를조사해보면임계손상도는본예제에서사용한값보다훨씬크다. 즉, 정상적인단조용소재에서셰브론크랙의발생이흔하지는않다. 그러나열처리불량또는불순물의게재등으로재료의상태가불량할경우에는셰브론크랙의발생가능성을무시할수없다. 최근비조질강의적용과정에서발생한사례등으로볼때일부재료의경우, 특히변형경화가작고임계손상도가작을경우, 셰브론크랙의발생가능성은상대적으로높다고판단된다. 600 500 400 300 200 100 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 True strain [mm/mm] Fig. 6 True stress-strain curve of SWCH10A Fig. 5 Prediction of surface cracks 2.4 내부파괴결함사례분석 Fig. 7 은압출시의셰브론크랙의해석결과이다. 이결과를얻는데사용된가상의공정조건은다음과같다. 유동응력은 Fig. 6 에나타냈으며, 임계손상도값은 0.2 이다. 금형반각, 마찰계수, 압출비, 초기단면직경등은각각 40º, 0.03, 25%, Fig. 7 Chevron crack occurring in extrusion 인발공정에서발생하는중심파괴의원인은초기재료의불량이전제가되고, 손상도의누적취역한공정설계및공정조건하에서발생한다. Fig. 8 은인발시의중심파괴현상을보여주고있다. 이결과를얻는데사용된가상의공정조건은다음과같다. 유동응력은 Fig. 6 에나타냈으 - 234 -
며, 임계손상도값은 0.7 이다. 금형반각, 마찰계수, 인발비, 최초소재단면직경등은각각 5º, 0.02, 10%, 14.0mm 이다. 재료의유동응력은인장시험으로부터획득한것으로참고문헌 [12] 에수록되었다. 모든단에서초기항복응력의 20% 의인장력을후미에부과하였다. Fig. 1 에서보는바와같이압출시의중심파괴는새가날아갈때의모양을하고있는반면, 인발시에발생하는중심파괴는컵의형상을하고있다. 물론 Fig. 7 와 Fig. 8 에서도이런유사한형상이예측되었다. 따라서인발공정에서발생하는중심파괴를셰브론크랙이라고부르기에는다소무리가따른다. 논문 [1] 의 Fig. 4(a) 와 Fig. 5(a) 를들수있다. 이두경우는데드메탈에의하여발생한것으로변형경화능이작을수록이문제에쉽게노출될수있다는것을암시한다. Fig. 7 과 Fig.8 에사례는참고문헌 [11] 에서소개된것으로데드메탈에의하여소성유동선의단절이발생할가능성이많은공정이다. Fig. 9 Metal flow defect occurring in forward and backward extrusion 3. 결론 Fig. 8 Central bursting defect occurring in multipass drawing 2.5 소성유동선파괴결함냉간단조에서는열간단조에비하여소성유동선의변형이크지않다. 따라서소성유동선이접히는결함은거의나타나지않는다. 그러나인접소성유동선과의분리가자주발생한다. 가령, 컵형상의후방압출시컵의하단과상단의단차가진부분에서급격한소성유동선의변화가발생한다. 이부분에서소성유동선은사실상단절이발생한다고보아야한다. 소성유동선이단절되는사례는데드메탈이존재하는부위에서도나타날수있다. 경험적으로볼때, 소성유동선단절그자체는문제가되지않는경우가대부분이다. 후속열처리등에서대부분의결함적요소는제거된다. 그러나경우에따라서는소성유동선단절부위에불순물이개입되는사례도있을수있다. 전형적인소성유동선파괴결함사례로선행 본논문에서는단조중에흔히발생하는형상결함의생성과정을규명하기위한다양한종류의파괴결함에관한시뮬레이션을실시하였다. 제품의외관에서육안확인이가능한외부파괴결함, 절단면에서육안으로확인가능한중심파괴결함, 단면의부식후관찰이가능한미시파괴결함등에관한연구를실시하였다. 소성가공중발생하는전형적인결함에대한정밀해석은관련기술자들에게영감을심어주는좋은연구및학습자료가될것이다. 후기 본연구는교육과학기술부와한국연구재단의지역혁신인력양성사업으로수행된연구결과이며, 지식경제부의청정기반전략기술개발사업의지원을받아수행된연구임. 참고문헌 [1] M. S. Joun, 2011, Case study on major defects in - 235 -
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