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문제 정의
- 본 연구에서는 열간 단조의 정량적인 금형 수명 평가 방법으로 금형강도가 항복강도에 도달할 때까지의 경도 유지 시간으로 평가하는 소성변형에 대한 금형 수명 평가 방법과 시간과 온도에 따른 금형의 고온에서 경도 변화와 표면층의 마멸량 증가에 따른 깊이 방향의 경도 변화를 고려한 연삭 마멸에 대한 금형 수명 평가 방법을 제시하였다.
- 양을 비교하는 실험을 수행하였다. 이러한 실험을 통하여 금형표면처리와 윤활제의 열적 특성을 파악함으로해서 금형에 주는 영향을 파악하였다. 그리고 금형 수명 평가 방법을 제시하였다.
가설 설정
- 보정 곡선은 각 20℃와 800℃ 응력-변형률 식을 사용하여 강소성 유한 요소 해석 코드인 DEFORM-2D를 사용하여 작성하였다. 유한요소 해석을 실시하는 동안 전단 마찰 상수 값은 일정하다고 가정하였다. 각 온도별 유한 요소 해석 결과로부터 각각의 전단 마찰 상수 값에 대해 높이 감소율에 따른내경 감소율을 측정하여 마찰 보정 곡선을 작성하였다.
제안 방법
- 또한 가열온도는 소재는 650, 850℃로 가열하였으며, 금형 온도는 30CTC로 가열하였다. 가열된 소재를 각각의 온도에서 0, 3, 6ton의 하중을 가하여 시험을 수행하였다. 시험에 사용된 장비는 25ton MTS(Material Test System)를 사용하였으며, Fig.
- 유한요소 해석을 실시하는 동안 전단 마찰 상수 값은 일정하다고 가정하였다. 각 온도별 유한 요소 해석 결과로부터 각각의 전단 마찰 상수 값에 대해 높이 감소율에 따른내경 감소율을 측정하여 마찰 보정 곡선을 작성하였다.
- 이러한 실험을 통하여 금형표면처리와 윤활제의 열적 특성을 파악함으로해서 금형에 주는 영향을 파악하였다. 그리고 금형 수명 평가 방법을 제시하였다.
- 이러한 템퍼링 영향에 의한 경도하락은 성형과정에서 나타나는 반복적인 열 영향에 의한 금형경도의 하락과 동일한 기구를 이루고 있는 것으로 금형의 경도를 시간과 온도의 함수로 나타낼 수 있다. 따라서 열간 단조 금형의 소성변형에 대한 금형수명 평가를 위해 고온에 의한 경도 변화를 평가할 수 있는 템퍼링 파라메타를 적용하였다. 템퍼링파라메타는 식(1)과 같이 나타낼 수 있으며, 식(1)을 통해서 금형재료의 시간과 온도에 따른 경도의 변화를 평가할 수 있다.
- 또한 소재와 금형 사이에 높은 마찰에 의해 제품을 금형으로부터 취출(ejecting) 하기 어렵기 때문에 윤활 특성을 파악하는 것이 상당히 중요하다. 따라서 열간 링 압축 시험을 통해 윤활제의열간 마찰 특성을 파악하였다. 열간 링 압축 시험에 사용된 장비는 150ton 프레스이며, 금형은 열간 단조용 공구강인 STD61 을 사용하였다.
- 즉, 적합한 금형의 표면처리와 윤활제의 선택은 금형의 수명에 크게 영향을 미칠 수 있다. 따라서윤활제와 금형의 표면처리의 종류에 따른 열적특성을 파악하여 금형과 소재사이의 열전달의 차이 정도를 비교하였다.
- 소재의 재료는 SM45C 를 사용하였으며, 금형은 STD61 을 사용하였다. 또한 가열온도는 소재는 650, 850℃로 가열하였으며, 금형 온도는 30CTC로 가열하였다. 가열된 소재를 각각의 온도에서 0, 3, 6ton의 하중을 가하여 시험을 수행하였다.
- 이 값들을 한계 값들과 비교하여 한 공정에 대한 금형의 수명을 평가하였다. 마멸량이 한계치보다 작고, 경도 값이 한계 값 이상이면 금형의 형상을 마멸된 형상으로 변경하여 다시 마멸 해석을 수행하고 금형의 수명을 예측하였다. 최종 금형의 마멸 깊이를 허용 마멸깊이로 나누어 생산 개수를 평가하였다.
- 마찰 보정 곡선(calibration curve)을 얻기 위하여 강소성 유한요소해석을 실시하였다. 보정 곡선은 각 20℃와 800℃ 응력-변형률 식을 사용하여 강소성 유한 요소 해석 코드인 DEFORM-2D를 사용하여 작성하였다.
- 먼저 제품의 성형 해석을 통하여 금형면에 작용하는 압력(#), 소재의 유동속도(#), 금형의 온도 분포(/t) 를 구하고, 다음으로 금형재료에 대한 마멸 및 열 연화 실험을 통하여 얻은 한계 마멸량 및 한계 고온 경도 값을 수정 마멸 모델 식(5)에 대입하여 마멸 해석을 수행하였다. 해석 결과를 통해 한 번의 성형 공정 동안 금형의 마멸량을 계산하고 이 마멸량에 해당하는 경도값을 예측하였다.
- 윤활하였다. 성형하는 동안 변형률 속도를 일정하게 하여 시험을 수행하였다.
- 소성변형에 대한 금형수명 평가를 위하여 템퍼링 파라메타 식(2)에서 템퍼링 시간 t를 성형 중 금형의 강도 가열 연화에 의해 항복강도에 도달할때까지의 경도 유지 시간#로 바꾸어 식(3)과 같이 나타내어 금형수명 평가를 하였다.
- 5에 시험장치의 개략도를 나타내었다. 시험은 300E로 가열된 금형에 스프레이로 윤활제로 윤활하고 650, 850℃로 가열된 소재를 윤활된 면에 올려놓고, 0, 3, 6ton으로 하중을 부하 하여 시험 시작으로부터 20초 동안의 온도를 열전대로 측정하였다. 시험의 신뢰성을 확보하기 위해 시험 조건마다 4회 반복적으로 온도를 측정하였다.
- 시험은 높이 감소율이 20%, 30%, 40%, 50% 및 60% 가 되도록 압축하였고, 각 윤활제를 시편에 윤활하기 위해 상부 금형과 하부 금형에 스프레이를 이용하여 균일하게 윤활하였다. 성형하는 동안 변형률 속도를 일정하게 하여 시험을 수행하였다.
- 시험은 300E로 가열된 금형에 스프레이로 윤활제로 윤활하고 650, 850℃로 가열된 소재를 윤활된 면에 올려놓고, 0, 3, 6ton으로 하중을 부하 하여 시험 시작으로부터 20초 동안의 온도를 열전대로 측정하였다. 시험의 신뢰성을 확보하기 위해 시험 조건마다 4회 반복적으로 온도를 측정하였다.
- 해석 결과를 통해 한 번의 성형 공정 동안 금형의 마멸량을 계산하고 이 마멸량에 해당하는 경도값을 예측하였다. 이 값들을 한계 값들과 비교하여 한 공정에 대한 금형의 수명을 평가하였다. 마멸량이 한계치보다 작고, 경도 값이 한계 값 이상이면 금형의 형상을 마멸된 형상으로 변경하여 다시 마멸 해석을 수행하고 금형의 수명을 예측하였다.
- 이를 위해서 고체 윤활제인 유용성, 수용성의 두 그라파이트를 사용하여 윤활제와 금형 표면 처리에 따른 열전달의 양을 비교하는 실험을 수행하였다. 이러한 실험을 통하여 금형표면처리와 윤활제의 열적 특성을 파악함으로해서 금형에 주는 영향을 파악하였다.
- 마멸량이 한계치보다 작고, 경도 값이 한계 값 이상이면 금형의 형상을 마멸된 형상으로 변경하여 다시 마멸 해석을 수행하고 금형의 수명을 예측하였다. 최종 금형의 마멸 깊이를 허용 마멸깊이로 나누어 생산 개수를 평가하였다. 이상에서 제시한 마멸에 대한 금형수명 평가 방법을 정리하면 Fig.
- 표면처리에 따른 계면 열전달 계수를 파악하기 위해 사용된 금형의 표면처리는 무처리, 이온 질화 처리. 침탄질화 처리를 사용하였으며. 표면처리에 따라 윤활제도 유용성 윤활제와 수용성 윤활제를 사용하여 계면열전달계수를 측정하였다.
- 침탄질화 처리를 사용하였으며. 표면처리에 따라 윤활제도 유용성 윤활제와 수용성 윤활제를 사용하여 계면열전달계수를 측정하였다. 소재의 재료는 SM45C 를 사용하였으며, 금형은 STD61 을 사용하였다.
- 해석 결과를 통해 한 번의 성형 공정 동안 금형의 마멸량을 계산하고 이 마멸량에 해당하는 경도값을 예측하였다. 이 값들을 한계 값들과 비교하여 한 공정에 대한 금형의 수명을 평가하였다.
대상 데이터
- 열간 링 압축 시험에 사용된 장비는 150ton 프레스이며, 금형은 열간 단조용 공구강인 STD61 을 사용하였다. 소재는 SM45C를 사용하였으며 시험온도는 800℃로 설정하였다. 링 소재를 가열하기 위해서 전기 가열로를 사용하였다.
- 표면처리에 따라 윤활제도 유용성 윤활제와 수용성 윤활제를 사용하여 계면열전달계수를 측정하였다. 소재의 재료는 SM45C 를 사용하였으며, 금형은 STD61 을 사용하였다. 또한 가열온도는 소재는 650, 850℃로 가열하였으며, 금형 온도는 30CTC로 가열하였다.
- 하부 금형 예열 온도는 300℃로 하였다. 시험에 사용된 윤활제는 열간 단조에 주로 사용되고 있는 흑연계 유용성 윤활제로 미강유+흑연과 Acheson사의 Oildag, 수용성 윤활제로는 Acheson 사의 Deltaforge #31, Renite사의 S-26-X 및 수용성 백색 계 코팅제인 Acheson사의 Deltaglaze #151을 사용하였다. 시험에 사용된 윤활제에 대한 규격 및 밀도를 Table 1에 나타내었다.
- 가열된 소재를 각각의 온도에서 0, 3, 6ton의 하중을 가하여 시험을 수행하였다. 시험에 사용된 장비는 25ton MTS(Material Test System)를 사용하였으며, Fig. 5에 시험장치의 개략도를 나타내었다. 시험은 300E로 가열된 금형에 스프레이로 윤활제로 윤활하고 650, 850℃로 가열된 소재를 윤활된 면에 올려놓고, 0, 3, 6ton으로 하중을 부하 하여 시험 시작으로부터 20초 동안의 온도를 열전대로 측정하였다.
- 따라서 열간 링 압축 시험을 통해 윤활제의열간 마찰 특성을 파악하였다. 열간 링 압축 시험에 사용된 장비는 150ton 프레스이며, 금형은 열간 단조용 공구강인 STD61 을 사용하였다. 소재는 SM45C를 사용하였으며 시험온도는 800℃로 설정하였다.
이론/모형
- 유한요소해석을 실시하였다. 보정 곡선은 각 20℃와 800℃ 응력-변형률 식을 사용하여 강소성 유한 요소 해석 코드인 DEFORM-2D를 사용하여 작성하였다. 유한요소 해석을 실시하는 동안 전단 마찰 상수 값은 일정하다고 가정하였다.
- 열간 단조 금형 마멸 계산에는 두 물체의 접촉 시 마멸 깊이를 식(4)와 같이 제안한 Archard 마멸 모델을 적용하였다.
성능/효과
- 각 윤활제에 대한 열전달계수를 값을 살펴본 결과, Fig. 6에서 하중을 부하 할수록 열전달 계수가 높은 값을 나타내고 있는 것을 알 수 있었으며, 650℃보다 850E에서계면 열전달계수가 높게 나타나는 것을 알 수 있었다. 또한 유용성 윤활제가 650E에서 계면 열전달계수가 낮은 것으로 나타났으나 온도가 85CTC에서는 수용성 윤활제가 유용성 윤활제보다 계면열전달계수가 작아져 열전달 특성이 우수한 것으로 나타났다.
- 6에서 하중을 부하 할수록 열전달 계수가 높은 값을 나타내고 있는 것을 알 수 있었으며, 650℃보다 850E에서계면 열전달계수가 높게 나타나는 것을 알 수 있었다. 또한 유용성 윤활제가 650E에서 계면 열전달계수가 낮은 것으로 나타났으나 온도가 85CTC에서는 수용성 윤활제가 유용성 윤활제보다 계면열전달계수가 작아져 열전달 특성이 우수한 것으로 나타났다. 표면처리에 따라 전체적으로 침탄질화 처리가 계면열전달계수가 가장 작은것으로 나타났으며 이온질화 처리가 무처리한 금형에비해 열전달 계수가 낮은 것으로 나타났다.
- 큰 차이를 나타내었다. 최소 값을 갖는 윤활제는 미강유+흑연과 Deltaforge #31 윤활제가 동일하게 전단 마찰 상수값 0.30을 갖는 결과를 보였으며, Oildag, Renite 및 Deltaglaze #151 윤활제 모두 전단 마찰 상수 값이 0.60으로 열간 단조에서 윤활 특성이 떨어지는 것으로 나타났다. 시험 결과는 Fig.
- 또한 유용성 윤활제가 650E에서 계면 열전달계수가 낮은 것으로 나타났으나 온도가 85CTC에서는 수용성 윤활제가 유용성 윤활제보다 계면열전달계수가 작아져 열전달 특성이 우수한 것으로 나타났다. 표면처리에 따라 전체적으로 침탄질화 처리가 계면열전달계수가 가장 작은것으로 나타났으며 이온질화 처리가 무처리한 금형에비해 열전달 계수가 낮은 것으로 나타났다. 하중에 따른계면 열전달 계수의 상승폭이 무처리한 금형에서 더 크게 나타나는 것을 알 수 있었다.
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