[학위논문]실험계획법을 이용한 핵연료 저장용기 제작용 저합금강의 최적 절삭조건에 관한 연구 A Study on the Optimum Cutting Conditions of Production for Low Alloy Steel Fuel Storage Container using the Design of Experiment원문보기
산업기술의 발달과 더불어 다양한 금속제품을 위한 합금소재의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 따라서 다양한 합금 소재의 가공방법 및 가공조건 선정에 대한 요구가 지속되고 있다. 그러나 가공방법 및 가공조건 선정에는 많은 비용과 시간이 필요하며 이를 극복하기 위해 개발된 금속소재의 성형 및 가공을 위한 공정해석 시뮬레이션에 대한 요구도 증가하고 있다. 공정해석 시뮬레이션에는 다음과 같은 프로그램이 있다. 단조 성형해석에는 주로 Deform, Abaqus가 사용되고 자동차 ...
산업기술의 발달과 더불어 다양한 금속제품을 위한 합금소재의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 따라서 다양한 합금 소재의 가공방법 및 가공조건 선정에 대한 요구가 지속되고 있다. 그러나 가공방법 및 가공조건 선정에는 많은 비용과 시간이 필요하며 이를 극복하기 위해 개발된 금속소재의 성형 및 가공을 위한 공정해석 시뮬레이션에 대한 요구도 증가하고 있다. 공정해석 시뮬레이션에는 다음과 같은 프로그램이 있다. 단조 성형해석에는 주로 Deform, Abaqus가 사용되고 자동차 바디 해석에는 Auto Stamp, PAM-Stamp가 적용되고 있다. 그리고 절삭공정 해석에는 주로 AdvantEdge 및 Deform, Abaqus를 사용하여 공정을 예측하고 이를 현장에서 적용하고 있다. 공정해석 시뮬레이션은 제작공정에 실제 적용하기 위하여 재료의 물성 모델을 개발하여 적용해야 한다. 시뮬레이션은 유한요소를 기반으로 하고 있으며 이 기술은 금속의 절삭가공(metal cutting process)에 대한 시뮬레이션이 가능하도록 발전되어 왔다. 이 방법은 공구의 힘, 응력 및 온도의 분포, 공구 마모 예측, 절삭 조건 최적화, 공구 형상, 그리고 기계 표면적의 잔류응력 등을 예측할 수 있는 장점이 있다. 그러나 예측의 정확성 및 신뢰성은 피삭재의 유동응력(flow stress)에 따라 크게 달라진다. 재료의 유동응력과 변형률과의 관계를 기술한 모델은 Johnson - cook, Zerilli - Armstrong, Nemat - Nasser, Calamaz, Ozel& Sima 등 다양하게 개발되어 있으나 현재 가장 널리 사용되고 있는 모델은 Johnson - Cook 모델이다. 본 연구에 사용된 SA350 LF3 저합금강은 주로 사용 후 핵연료 수송 및 저장용기 제작을 위해 새롭게 개발되었고 이 소재의 소성 가공을 위한 공정해석 시뮬레이션의 필요성이 대두되었다. Aviral Short와 황 등은 직교절삭과 수치해석을 이용하여 Johnson - Cook 모델 상수 결정에 관한 연구하였다. 이를 이용하여 제품 제작공정을 결정하였다. 제품의 공정 조건 선정에는 실험계획법을 사용하였다. 그리고 공정 결정을 위한 각 인자와 수준에 따른 실험을 수행하였다. 그러나 절삭공정에서는 시뮬레이션보다 실험을 통해 절삭조건을 선정한 연구가 많았다. 시험의 횟수에 따라 시간과 비용이 많이 소요되어 현실적으로 많은 어려움이 발생하였다. 본 연구에서는 개발된 저합금강 SA350 LF3를 절삭용 수치해석 모델에 적용하기 위하여 절삭시험과 수치해석을 통하여 저합금강의 유동응력을 결정하고 절삭용 수치해석모델을 검증하였다. 그리고 소재의 절삭특성에 대한 분석을 위하여 여러 재료와 비교 분석하였고, 절삭력 및 절삭특성을 파악하고 최적조건을 제시하였다. 1. 인장, 고온인장, 직교절삭 그리고 시뮬레이션을 통하여 절삭해석용 물성모델을 완성하였다. 초기 항복응력 A=433.5MPa, 변형률 경화계수 B=1448.7MPa, 변형률 경화 지수 n=0.8292을 얻었으며 온도지수 m=0.3759를 구하였다. 그리고 절삭시험과 시뮬레이션을 이용하여 변형률 속도 경화지수 C=0.18을 구하였다. 2. SA350 LF3의 시뮬레이션 소성물성모델을 생성하고 이를 검증하기 위하여 LS-Dyna 프로그램을 이용하여 Johnson-Cook 재료 상수값을 검증하고 신뢰성을 확인하였다. 3. 절삭시뮬레이션을 이용하여 SA350 LF3인 저합금강의 절삭력, 동력 및 절삭온도는 Al 6061과 STS 316 사이에 위치하고 있으며 SA350 LF3 저합금강은 Al6061보다 절삭력은 154%, 절삭온도는 140%, 동력은 150% 그리고 공구변화는 135% 수준을 보이고 있으며, STS 316보다 절삭력은 86%, 절삭온도는 70%, 동력은 86% 그리고 공구 변화는 58% 수준이다. 4. 공구에 걸리는 압력은 공구 마모를 예측할 수 있으며 SA350 LF3는 압력분포가 Al 6061와 비슷하게 공구 하부에 많이 발생하며 국부적으로 압력이 높게 발생하는 것으로 플랭크 마모와 칩핑이 현상이 발생하였다. 5. 선삭가공의 절삭력 700N, 동력 2000W, 온도 600℃를 만족하는 조건을 충족하는 최적조건은 이송량 0.418m/rev, 절삭깊이 1.19mm, 절삭속도 172.93m/min이며 그리고 만족도는 0.9229 이다. 6. 밀링가공의 절삭력 700N, 동력 1500W, 온도 600℃를 만족하는 조건을 충족하는 최적조건은 주축회전수 1857.5rpm, 날당이송량 1mm/tooth, 축방향 절삭깊이 6.2mm, 반경반향 절삭깊이 0.7mm이며 그리고 만족도는 0.9854 이다.
산업기술의 발달과 더불어 다양한 금속제품을 위한 합금소재의 개발이 활발하게 이루어지고 있다. 따라서 다양한 합금 소재의 가공방법 및 가공조건 선정에 대한 요구가 지속되고 있다. 그러나 가공방법 및 가공조건 선정에는 많은 비용과 시간이 필요하며 이를 극복하기 위해 개발된 금속소재의 성형 및 가공을 위한 공정해석 시뮬레이션에 대한 요구도 증가하고 있다. 공정해석 시뮬레이션에는 다음과 같은 프로그램이 있다. 단조 성형해석에는 주로 Deform, Abaqus가 사용되고 자동차 바디 해석에는 Auto Stamp, PAM-Stamp가 적용되고 있다. 그리고 절삭공정 해석에는 주로 AdvantEdge 및 Deform, Abaqus를 사용하여 공정을 예측하고 이를 현장에서 적용하고 있다. 공정해석 시뮬레이션은 제작공정에 실제 적용하기 위하여 재료의 물성 모델을 개발하여 적용해야 한다. 시뮬레이션은 유한요소를 기반으로 하고 있으며 이 기술은 금속의 절삭가공(metal cutting process)에 대한 시뮬레이션이 가능하도록 발전되어 왔다. 이 방법은 공구의 힘, 응력 및 온도의 분포, 공구 마모 예측, 절삭 조건 최적화, 공구 형상, 그리고 기계 표면적의 잔류응력 등을 예측할 수 있는 장점이 있다. 그러나 예측의 정확성 및 신뢰성은 피삭재의 유동응력(flow stress)에 따라 크게 달라진다. 재료의 유동응력과 변형률과의 관계를 기술한 모델은 Johnson - cook, Zerilli - Armstrong, Nemat - Nasser, Calamaz, Ozel& Sima 등 다양하게 개발되어 있으나 현재 가장 널리 사용되고 있는 모델은 Johnson - Cook 모델이다. 본 연구에 사용된 SA350 LF3 저합금강은 주로 사용 후 핵연료 수송 및 저장용기 제작을 위해 새롭게 개발되었고 이 소재의 소성 가공을 위한 공정해석 시뮬레이션의 필요성이 대두되었다. Aviral Short와 황 등은 직교절삭과 수치해석을 이용하여 Johnson - Cook 모델 상수 결정에 관한 연구하였다. 이를 이용하여 제품 제작공정을 결정하였다. 제품의 공정 조건 선정에는 실험계획법을 사용하였다. 그리고 공정 결정을 위한 각 인자와 수준에 따른 실험을 수행하였다. 그러나 절삭공정에서는 시뮬레이션보다 실험을 통해 절삭조건을 선정한 연구가 많았다. 시험의 횟수에 따라 시간과 비용이 많이 소요되어 현실적으로 많은 어려움이 발생하였다. 본 연구에서는 개발된 저합금강 SA350 LF3를 절삭용 수치해석 모델에 적용하기 위하여 절삭시험과 수치해석을 통하여 저합금강의 유동응력을 결정하고 절삭용 수치해석모델을 검증하였다. 그리고 소재의 절삭특성에 대한 분석을 위하여 여러 재료와 비교 분석하였고, 절삭력 및 절삭특성을 파악하고 최적조건을 제시하였다. 1. 인장, 고온인장, 직교절삭 그리고 시뮬레이션을 통하여 절삭해석용 물성모델을 완성하였다. 초기 항복응력 A=433.5MPa, 변형률 경화계수 B=1448.7MPa, 변형률 경화 지수 n=0.8292을 얻었으며 온도지수 m=0.3759를 구하였다. 그리고 절삭시험과 시뮬레이션을 이용하여 변형률 속도 경화지수 C=0.18을 구하였다. 2. SA350 LF3의 시뮬레이션 소성물성모델을 생성하고 이를 검증하기 위하여 LS-Dyna 프로그램을 이용하여 Johnson-Cook 재료 상수값을 검증하고 신뢰성을 확인하였다. 3. 절삭시뮬레이션을 이용하여 SA350 LF3인 저합금강의 절삭력, 동력 및 절삭온도는 Al 6061과 STS 316 사이에 위치하고 있으며 SA350 LF3 저합금강은 Al6061보다 절삭력은 154%, 절삭온도는 140%, 동력은 150% 그리고 공구변화는 135% 수준을 보이고 있으며, STS 316보다 절삭력은 86%, 절삭온도는 70%, 동력은 86% 그리고 공구 변화는 58% 수준이다. 4. 공구에 걸리는 압력은 공구 마모를 예측할 수 있으며 SA350 LF3는 압력분포가 Al 6061와 비슷하게 공구 하부에 많이 발생하며 국부적으로 압력이 높게 발생하는 것으로 플랭크 마모와 칩핑이 현상이 발생하였다. 5. 선삭가공의 절삭력 700N, 동력 2000W, 온도 600℃를 만족하는 조건을 충족하는 최적조건은 이송량 0.418m/rev, 절삭깊이 1.19mm, 절삭속도 172.93m/min이며 그리고 만족도는 0.9229 이다. 6. 밀링가공의 절삭력 700N, 동력 1500W, 온도 600℃를 만족하는 조건을 충족하는 최적조건은 주축회전수 1857.5rpm, 날당이송량 1mm/tooth, 축방향 절삭깊이 6.2mm, 반경반향 절삭깊이 0.7mm이며 그리고 만족도는 0.9854 이다.
Development of the alloy materials are being carried out actively for the application of various products in development and metallic materials industrial technology. And it is requests for selecting a processing method and processing conditions by developing various alloy materials were continuousl...
Development of the alloy materials are being carried out actively for the application of various products in development and metallic materials industrial technology. And it is requests for selecting a processing method and processing conditions by developing various alloy materials were continuously conducted. But in processing method and conditions selection, a lot of cost and time are introduced. Requirements is also increasing continuously for the process analysis simulation for shaping and working of metallic materials which have been developed to overcome this problem. The process analysis simulation, there is the following program. Simulation for forging analysis is mainly Deform or Abaqus, Auto Stamp or PAM-Stamp is simulations using a sheet material, and to interpret the automobile body. Simulation of interpreting a cutting process, mainly predict process using AdvantEdge, Deform and Abaqus, have applied this in the field. Process analysis simulation must be applied in developing a material property model to actually apply to the manufacturing process. Simulations are build on finite element. And finite element analysis underlying technology has evolved so that it is possible to simulate the metal cutting process. Advantage that it is possible to predict such as force of the tool, stress or temperature distributions, tool wear prediction, optimization of cutting conditions, tool shape and residual stresses in the machinery surface area. However, the accuracy and reliability of the predictions, vary greatly based on the flow stress of the workpiece. Model that describes the relationship between the strain and the flow stress of the material has been variety of development model that is currently used most widely, Johnson - Cook model. Typically, there are Johnson - cook, Zerilli - Armstrong, Nemat - Nasser, Calamaz, Ozel& Sima. The material used in this research, low-alloy steel for the fabrication of spent nuclear fuel transport and storage container has been newly developed. The need for process analysis simulation for plastic forming of the material has been emerged. Etc. Aviral Short and Hwang by using the orthogonal cutting and numerical analysis, completed the physical properties model to conduct research determination of Johnson - Cook model constants. By using this was selected for manufacturing products processes. To the selection of products processing conditions, using the design of Experiment(DOE). And experiments were carried out in accordance with the factors and levels for the process. However, the cutting step, the selected cutting conditions through from test simulation was performed much research. In response to number of the test is time consuming and costs, Realistically a number of difficulties and it was confirmed be caused. In this study, in order to apply a numerical analysis model for cutting a low-alloy steel new materials have been developed, using the analysis flow and the cutting test, the numerical value for determining, to cut the flow stress of the low alloy steel an analytical model we were verified. To analyze the cutting characteristics of the material, in comparative analysis with multiple of materials, and to understand the cutting resistance and cutting properties, and presented an optimal condition. 1. Completed the material model for a cutting analysis by tensile test, high temperature tensile test, orthogonal cutting test and simulation. We get the initial yield stress A=433.5MPa, strain hardening coefficient B=1448.7MPa, strain hardening exponent n=0.8292 and calculating the temperature exponent m=0.3759. Using the cutting test and simulation, to calculate the strain rate hardening exponent C=0.18. 2. Generate a plastic material model SA350LF3 And With the LS-Dyna to obtain a reliable verify the Johnson-Cook material constant. 3. Using a cutting simulation SA350LF3 low alloy steel confirm the cutting force, power and cutting temperature is between the Al6061 and STS316. Low alloy steel, cutting force is 154%, cutting temperature is 140%, power is 150% and tool distance level than Al6061. Cutting force is 86%, cutting temperature is 70%, power is 86% and tool distance is 58% than STS316. 4. The pressure of the tool, it is possible to predict wear of the tool, the pressure distribution is similar to Al6061. Most of generating in the lower part of the tool, flank wear, chipping phenomenon occurs to be those locally pressures generated high. 5. Optimum conditions that satisfy the turning condition, feed is 0.418m/rev, depth of cut is 1.19mm, cutting speed is 172.93m/min and satisfaction is 0.9229. 6. Optimum conditions that satisfy the cutting force 700N, power 1500W, temperature 600℃ for milling condition, spindle speed is 1857.5rpm, feed per tooth is 1mm/tooth, axial depth of cut is 172.93m/min, radial depth of cut is 0.7mm and satisfaction is 0.9854.
Development of the alloy materials are being carried out actively for the application of various products in development and metallic materials industrial technology. And it is requests for selecting a processing method and processing conditions by developing various alloy materials were continuously conducted. But in processing method and conditions selection, a lot of cost and time are introduced. Requirements is also increasing continuously for the process analysis simulation for shaping and working of metallic materials which have been developed to overcome this problem. The process analysis simulation, there is the following program. Simulation for forging analysis is mainly Deform or Abaqus, Auto Stamp or PAM-Stamp is simulations using a sheet material, and to interpret the automobile body. Simulation of interpreting a cutting process, mainly predict process using AdvantEdge, Deform and Abaqus, have applied this in the field. Process analysis simulation must be applied in developing a material property model to actually apply to the manufacturing process. Simulations are build on finite element. And finite element analysis underlying technology has evolved so that it is possible to simulate the metal cutting process. Advantage that it is possible to predict such as force of the tool, stress or temperature distributions, tool wear prediction, optimization of cutting conditions, tool shape and residual stresses in the machinery surface area. However, the accuracy and reliability of the predictions, vary greatly based on the flow stress of the workpiece. Model that describes the relationship between the strain and the flow stress of the material has been variety of development model that is currently used most widely, Johnson - Cook model. Typically, there are Johnson - cook, Zerilli - Armstrong, Nemat - Nasser, Calamaz, Ozel& Sima. The material used in this research, low-alloy steel for the fabrication of spent nuclear fuel transport and storage container has been newly developed. The need for process analysis simulation for plastic forming of the material has been emerged. Etc. Aviral Short and Hwang by using the orthogonal cutting and numerical analysis, completed the physical properties model to conduct research determination of Johnson - Cook model constants. By using this was selected for manufacturing products processes. To the selection of products processing conditions, using the design of Experiment(DOE). And experiments were carried out in accordance with the factors and levels for the process. However, the cutting step, the selected cutting conditions through from test simulation was performed much research. In response to number of the test is time consuming and costs, Realistically a number of difficulties and it was confirmed be caused. In this study, in order to apply a numerical analysis model for cutting a low-alloy steel new materials have been developed, using the analysis flow and the cutting test, the numerical value for determining, to cut the flow stress of the low alloy steel an analytical model we were verified. To analyze the cutting characteristics of the material, in comparative analysis with multiple of materials, and to understand the cutting resistance and cutting properties, and presented an optimal condition. 1. Completed the material model for a cutting analysis by tensile test, high temperature tensile test, orthogonal cutting test and simulation. We get the initial yield stress A=433.5MPa, strain hardening coefficient B=1448.7MPa, strain hardening exponent n=0.8292 and calculating the temperature exponent m=0.3759. Using the cutting test and simulation, to calculate the strain rate hardening exponent C=0.18. 2. Generate a plastic material model SA350LF3 And With the LS-Dyna to obtain a reliable verify the Johnson-Cook material constant. 3. Using a cutting simulation SA350LF3 low alloy steel confirm the cutting force, power and cutting temperature is between the Al6061 and STS316. Low alloy steel, cutting force is 154%, cutting temperature is 140%, power is 150% and tool distance level than Al6061. Cutting force is 86%, cutting temperature is 70%, power is 86% and tool distance is 58% than STS316. 4. The pressure of the tool, it is possible to predict wear of the tool, the pressure distribution is similar to Al6061. Most of generating in the lower part of the tool, flank wear, chipping phenomenon occurs to be those locally pressures generated high. 5. Optimum conditions that satisfy the turning condition, feed is 0.418m/rev, depth of cut is 1.19mm, cutting speed is 172.93m/min and satisfaction is 0.9229. 6. Optimum conditions that satisfy the cutting force 700N, power 1500W, temperature 600℃ for milling condition, spindle speed is 1857.5rpm, feed per tooth is 1mm/tooth, axial depth of cut is 172.93m/min, radial depth of cut is 0.7mm and satisfaction is 0.9854.
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