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문제 정의
- 그러나 지금까지 1단 쇼트 피이닝에 의한 압축 잔류 응력의 영향에 대해서는 연구가 진행되고 있으나, 아직 2단 쇼트 피 이 닝 에 의한 고압축 잔류응력 이 피로 강도에 미치는 영향에 대한 연구는 찿아볼 수 없다. 본 연구에서는 쇼트 피이닝 효과를 극대화시키기 위하여 스프링강에(JIS G 4081-SUP7, SAE 9254, DIN 50CrV4 ) 쇼트 피 이 닝을 1단, 2단으로 작용시켜 쇼트 피이닝에 의한 기계적 성질의 변화, 경도변화, 조도향상에 의한 표면의 평활화등을 고응력 조건에서 피로강도 향상과 피로수명 향상등을 통한 재료개발과 이 분야의 안전설계 자료에 기어코 저 한다.
제안 방법
- 1단 및 2단 쇼트피이닝 처리된 시험편에 대한 피로 수명을 고찰하였다. 이때 피로 강도는 최소 ± 760MPa, 최대 ±870MPa을 적용하였으며 Fig.
- 그리고 1단 쇼트 피이닝과 2단 쇼트 피이닝은 스프링 제조회사인 대원강업(주)가 보유하고 있는 코일스프링 제작용 쇼트 피이닝기와 엔진밸브 스프링 제작용 쇼트 피이닝기를 사용하였으며, 그 조건은 Table 3과 같다.
- 그리고 담금질 완료된 시험편은 다시 연속식 가스템 템퍼링노에서, 50CrV4 강재의 경우는 가열온도 370℃, 가열시간 80분을 유지하여 템퍼링하였고, SAE 9254 및 SUP 7강의 경우는 가열온도 420℃, 균열시간 110분을 유지하여 템퍼링 하였다.
- 15, 17, 19은 1단 쇼트 피이닝된 시험 편의 강종별 피로 파손면을 SEM으로 관찰한 사진이고, Fig 16, 18, 20은 2단 쇼트 피이닝된 시험 편의 강종별 피로 파단면에 대한 SEM 사진이다. 그리고 사진의 배율은 30배, 200배, 400배 순으로 배 열하였다.
- 그리고 템퍼링이 완료된 시험 편의 표면경도와 진원도를 맞추기 위하여 원통 연삭기에서 연삭을 하였다. 템퍼링된 시험 편의 기계적 성질은 Table2와 같다.
- 단 쇼트 피이닝과 2단 쇼트 피이닝된 시험 편의 피로 강도를 비교하기 위해 사용된 피로시험기는 오노식 회전 굽힘 피로시험기로 회전수는 3, 400 r.p.m이 며 시험 온도는 20℃에서 실행하였다.
- 또한 시험편이 원형단면임을 감안하여 표면 전체에 균일한 쇼트 피이닝 가공면을 얻기 위하여 1단 쇼트 피이닝의 경우는 Fig. 2와 같이 시험 편의 양단을 치구로 고정하고 그 치구를 Fig. 3과 같이 2개의 자전 로울러 위에 올려놓고 쇼트볼을 투사하였으며, 2단 쇼트 피이닝의 경우는 텀블링 바렐식 쇼트 피닝기에서 쇼트 피이닝을 하기 위해 Fig. 4와 같이 시험편 양단을 고무마개로 씌운 후 하였다.
- 쇼트 피이닝된 시험편 표면의 압축잔류응력의 분포를 알아보기 위해 X-선 잔류응력 측정기 (RIGAKU -MSF2M)를 사용하였으며, 측정은 전해 연마기로 시험 편의 측정 부위를 10~20“m 단위로 연마해 가면 서 Table 4와 같은 X선 측정 조건 하에서 잔류응력을 측정하였다.'E
- 스프링 강 SAE9254, DIN50CrV4, JISG4081 -SUP7 등 3종류를 열처리한 후 1단 쇼트 피이닝과 2단 쇼트 피이닝 시험편으로 구분하여 기계적성질, 표면조도의 변화, 표면경도분포, 잔류응력분포측정 및 회전 굽힘피로 시험을 통하여 1단과 2단 쇼트피이닝에 의한 압축잔류응력이 피로 수명에 미치는 영향과 파단면 관찰을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 스프링강에 있어서 2단 쇼트 피이닝이 피로강도에 미치는 영향을 고찰하기 위하여 1단 쇼트 피이닝과 2단 쇼트 피이닝으로 나누어 실험하였다.
- 시험편을 제작하기 위하여 와이어 로드 상태의 재료를 센터리스 바터닝 머신에서 직선화 및 1차 표면 절삭 가공을 실행하였다.
- 연삭된 시험 편의 표면에 쇼트 피이닝하여 표면에 형성된 압축 잔류응력을 측정하였다.
- 기겨], 항공기, 자동차 등의 경량화 1및 고강도가 요구되고 있어 피로 강도 향상의 조건 및 유지방법으로 쇼트피 이닝 이 쓰이고 있다. 이는 재료의 표면 부위의 결함을 제거하고 피로강도 향상을 위하여 쓰이며 금속표면에 압축잔류응력을 형성하여 피로에 의한 균열의 생성과 균열의 전파저지력을 향상시킴으로 피로수명을 향상시킨다고 알려져 있어 압축잔류응력 이 높게 형성될 수 있고 쇼트피이닝의 효과를 극대화하기 위해 I 단에서 다시 2단으로 쇼트피이닝 가공하여 기계적 성질의 변화와 피로수명의 영향등을 비교, 연구하였다. 이 결과 1단 쇼트피 이 닝 에 비해 2단 쇼트 피이닝 재의 피로 반복회수가 5.
- 피로시험 진행중 1단 쇼트 피이닝 조건과 2단 쇼트 피이닝 조건에서 강종별로 Fig. 14의 S-N 선도상 정상 피로회수를 나타내는 시험편을 샘플링하여 주사형 전자현미경, HITACHI사 S-2150으로 관찰 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에 사용된 재료는 와이어로드 상태의 압연강재로서 스프링 강 SAE 9254, DIN 50CrV4, JISG 4081-SUP7이고, 이 재료의 화학적 성분은 Table 1과 같다.
성능/효과
- 1) 각 시험편을 1단 및 2단 쇼트피이닝을 하여 표면조도를 측정한 결과 평균조도(Ra)와 최고조도 (Rmax) 값은 1단 쇼트피이닝에서 Ra가 1.798-2.37mm로 2단 쇼트 피이닝하여 Ra가 28%, Rmax가 30% 향상되었다.
- 3) 1단 쇼트피이닝에 비해 2단 쇼트 피이닝한 재료의 압축잔류응럭이 30~60MPa 상승하고 깊이도 25~50mm깊어 압축잔류응력 형성층이 넓게 증가 되었다.
- 4) 회전굽힘응력 ±760MPa에서 1단 쇼트 피이닝에 의한 피로반복횟수는 SAE 9254가 46만회 50CN4가 46만회 Sup7가 41만회 였으나 2단 쇼트 피이닝에 의해 SAE 92547} 250믄}회 50CrV47} 320믄} 회 sup7이 230만회 반복해도 파괴되지 않았다. 2단 쇼트 피이닝에 의한 피로반복 회수가 5.
- 시험 편의 1단 쇼트 피이닝 과2 단 쇼트 피이닝의 효과를 관찰해 보면, 1 단 쇼트 피 이닝된 시험편은 본 피로시험의 최소 응력인 ± 760MPa (Aa/2 = 1520MPa) 부근에서 SAE 9254는 46 만회, 50CrV4는 46만회, SUP 7은 41 만회 에서 파손 된다는 것이 관찰되었다. 그리고 2단 쇼트 피이닝된 시험편은 본 시험의 1단 때와 동일한 작용 최소 응력인 ±760MPa(M/2= 1520MPa)에서 SAE 9254가 250만회, 50CrV4는 320만회, SUP 7은 230만회 진행에도 파손되지 않았으며, 이때 1단 쇼트피이닝에 비해 2단 쇼트 피이닝의 피로수명이 5.4~7배 향상되었다.
- 4배에서 7배 가량 향상되었다. 그리고 2단 쇼트피이닝재가 1 단보다 압축잔류응력 이 30~60MPa 상승하고 잔류응력 형성층이 높게 넓게 증가하였다. 또한 2단 쇼트 피이닝이 1단보다 표면의 조도개선과 향상으로 피로균열전파 억지력의 향상에 기인한다고 본다.
- 그리고 피로시험의 최고 응력이 ±870MPa(Ao/2 = 1740MPa)에서의 1단 및 2단 쇼트 피이닝 처리된 조건의 모든 시험편에서의 피로수명이 다소 편차는 있으나 10만회 부근에서 파손되었으며, SAE 9254와 50CrV4는 피로시험의 최소 응력까지 점진적인 피로수명 증가 상태를 보여주고 있으나, SUP7 강은 최대응력 인 ±870MPa( Ao/2 = 1740MPa)에서부터 ±800MPa(zS, /2= 1600MPa)까지 점차적 인 피로시험 적용 응력을 낮추어 피로시험을 진행하여도 작용응력 ±800MPa (Ao/2 = 1600MPa)이하에서 피로수명이 급격히 증가되었음을 알 수 있다.
- 의 범위에서 실행하였다. 시험 편의 1단 쇼트 피이닝 과2 단 쇼트 피이닝의 효과를 관찰해 보면, 1 단 쇼트 피 이닝된 시험편은 본 피로시험의 최소 응력인 ± 760MPa (Aa/2 = 1520MPa) 부근에서 SAE 9254는 46 만회, 50CrV4는 46만회, SUP 7은 41 만회 에서 파손 된다는 것이 관찰되었다. 그리고 2단 쇼트 피이닝된 시험편은 본 시험의 1단 때와 동일한 작용 최소 응력인 ±760MPa(M/2= 1520MPa)에서 SAE 9254가 250만회, 50CrV4는 320만회, SUP 7은 230만회 진행에도 파손되지 않았으며, 이때 1단 쇼트피이닝에 비해 2단 쇼트 피이닝의 피로수명이 5.
- 위와 같이 관찰된 결과 값을 종합해 보면, 1단 쇼트 피이닝에 비하여 2단 쇼트 피이닝된 모든 시험편에서 압축 잔류응력의 최대 값이 30~60MPa 정도 상승되었고, 형성된 압축 잔류응력 최대값의 깊이도 25~50/an 깊어져 전체적인 압축 잔류응력 형성 층이 넓게 증가되어 있음을 Fig. 8에서 볼 수 있다.
- 으로 50CrV4 재와 sup7 재가 2단 쇼트 피이닝으로 경 도~51 증가하였으며 SAE9254재의 경도는 큰 변화가 나타나지 않았다. 이는 원래 경도가 높은 재료이기 때문에 큰 변화가 없는 것으로 생각된다.
- 이는 재료의 표면 부위의 결함을 제거하고 피로강도 향상을 위하여 쓰이며 금속표면에 압축잔류응력을 형성하여 피로에 의한 균열의 생성과 균열의 전파저지력을 향상시킴으로 피로수명을 향상시킨다고 알려져 있어 압축잔류응력 이 높게 형성될 수 있고 쇼트피이닝의 효과를 극대화하기 위해 I 단에서 다시 2단으로 쇼트피이닝 가공하여 기계적 성질의 변화와 피로수명의 영향등을 비교, 연구하였다. 이 결과 1단 쇼트피 이 닝 에 비해 2단 쇼트 피이닝 재의 피로 반복회수가 5.4배에서 7배 가량 향상되었다. 그리고 2단 쇼트피이닝재가 1 단보다 압축잔류응력 이 30~60MPa 상승하고 잔류응력 형성층이 높게 넓게 증가하였다.
- 4배~7배 향상되었다. 이 결과로 스프링 강 가공에서 2단 쇼트 피이닝의 효과가 크게 나타났다.
- 이 결과를 보면 2단 쇼트피이닝에 의해 조도가 크게 향상되었음을 알 수 있다.
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