[논문]강-열점소성 유한요소법을 이용한 알루미늄 링압연 공정 해석

구상완; 이종찬; 윤수진; 김낙수

doi:10.3795/ksme-a.2003.27.5.815

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The ring rolling process involves not only three-dimensional non-steady material flow and continuous change of radius and thickness of the ring workpiece but also heat transfer among workpiece, rolls and environment. In this study, deformation and heat transfer analyses were conducted by using the t...

The ring rolling process involves not only three-dimensional non-steady material flow and continuous change of radius and thickness of the ring workpiece but also heat transfer among workpiece, rolls and environment. In this study, deformation and heat transfer analyses were conducted by using the three-dimensional thermo-rigid-plastic finite element method. Three cases of plain ring rolling process were, respectively, simulated for the predictions of roll forces and the highest temperature zone during the aluminum process that ductile fracture often occurs. In addition, to prevent fishtail phenomena of the ring workpiece, axial rolls were used for this study.

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2 에 나타내었다. 마찰 인자는 전체적으로 0.5이며, 압력롤의 이송 속도는 1 mm/sec로 가정하였다. 해석 속도의 향상을 위해 링의 중심축에 대해 기하학적 대칭을 이용하여 절반 모델(half model)을사용하였다.
미소 변형으로 가정하고, 내부효과, 물 체력, 그리고 변형에 의한 기하학적 변화를 무시한다면속도장과 응력장은 다음과 같은 조건을 만족한다.

제안 방법

최종 성형체의 치수가 같은 두 가지 경우를 설정하였다. Case Ⅲ에 대해서는 압력 롤의 반경이 85mm와 115mm인 경우에 대해 해석하여 비교하였다.
구동롤은 소재에 토크를 전달해서 원주 방향으로 이송시키는반면, 압력롤과 원추 롤은 공회전한다. 그리고 압력롤은 반경방향으로 진입하여, 소재의 단면이롤 형상을 따라 변형되도록 하였다. 해석에 사용한 롤 장비의 치수와 각속도는 Table 1과 Fig.
단면의 온도 변화를 해석하기 위해 Case I, Case H, Case Ⅲ에 대해 해석을 진행하였다. Fig.
소요된다. 따라서 초기에는 평면 변형률 조건을 가정하거나〃 변형 영역(2)에 대해서만 국부적으로 수치 해석을 실시하였다. 그러나 이러한 가정은 원추롤에 의한 변형이 고려될 수 없는 단점이 있다.
본 연구에서는 평링 압연 공정에 대해 3차원 열전달 해석을 실시하였다. 해석에는 Kim">이 개발한 프로그램인 RING을 상용화한, 3 차원 링압연 공정 해석 프로그램인 아{APE-RR을사용하였고, 소재는 A1 7075를 사용하였다.
온도 해석을 위해 열간 성형의 경우의 데이터를 바탕으로 다항식 근사로 보간하였으며, 이를해석 프로그램에 추가하여 계산을 수행하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 평링 압연 공정에 대해 3차원 열전달 해석을 실시하였다. 해석에는 Kim">이 개발한 프로그램인 RING을 상용화한, 3 차원 링압연 공정 해석 프로그램인 아{APE-RR을사용하였고, 소재는 A1 7075를 사용하였다. 시 7075는 공정 중에 가공 연화되어 쉽게 연성파괴가일어나는 기계적 성질이 있다.

이론/모형

5이며, 압력롤의 이송 속도는 1 mm/sec로 가정하였다. 해석 속도의 향상을 위해 링의 중심축에 대해 기하학적 대칭을 이용하여 절반 모델(half model)을사용하였다.

성능/효과

(1) 압력 롤과 메인 롤에 걸리는 하중은 해석이진행될수록 감소하는 경향을 나타내었다. 이것은소재의 링반경이 커짐에 따라 하중을 전달하는압력롤과의 접촉영역이 점차 줄어들었기 때문이다.
(2) 압력 롤의 치수를 크게 할 경우 접촉영역이늘어나므로 소재에 걸리는 하중은 증대되었다.
(3) 성형체의 단면의 온도는 변형이 진행될수록상승하였으며, 성 형체의 표면에서 20~30mm 들어간 위치에서 가장 높게 나타났다. 그 위치가점차 위쪽으로 이동하여 국부적으로 온도가 매우 높은 LHTZ(Local High Temperature Zone)°l 존재하였다.
(4) 대칭면에서 온도 프로파일은 20~ 30mm에서 들어간 위치에서 온도가 높아지는 현상을 잘나타내었다. 이런 현상은 대체로 변형이.
(5) 공정이 종료되었을 때, 링 성 형체의 단면에서의 최고온도는 공정시간이 상대적으로 긴 Case II와 Case Ⅲ가 높게 나타났다. A1 7075의 반응고영역은 557P(827K)에서 시작되므로, 그 위치에가까운 Case Ⅱ는 소재가 연성 파괴될 가능성이높다고 할 수 있다.
공정시간이 길어서 소재가 변형을 많이 하게 된 Case II와 Case Ⅲ 그리고 Case I의 순서로 최고온도가 높음을 확인할 수 있었다. A1 7075의 반응고 영역은 557℃(827K)에서 시작되므로, 그 위치에 가까운 Case Ⅱ는 소재가 연성 파괴될 가능성이 높다고 할 수 있다.

참고문헌 (6)

Yang, D. Y. and Kim, K. H., 1998, 'Rigid-Plastic Finite Element Analysis of Plain Strain Ring Rolling,' International Journal of Mechanical Science, Vol. 30, pp. 571-580

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Yang, D.Y., Kim, K.H., Hawkyard, J.B., 1991, 'Simulation of T-Section Profile Ring Rolling by the 3-D Rigid-Plastic Finite Element Method,' International Journal of Mechanical Science, Vol. 33, pp. 541-550

상세보기
Kim Naksoo,Susumu Machida and Shiro Kobayashi, 1990, 'Ring Rolling Process Simulation by the Three Dimensional Finite Element Method,' Int. J. Mech. Tools Manufact, Vol. 30, pp. 569-577

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Lim, T., Pillinger, I. and Hartley, P., 1998, 'A Finite-Element Simulation of Profile Ring Rolling Using a Hybrid Mesh Model,' Journal of Material Processing Technology, Vol. 80-81, pp. 199-205

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Davey, K. and Ward, M.J., 2002, 'A Practical Method for Finite Element Ring Rolling Simulation Using the ALE Flow Formulation,' International Journal of Mechanical Science, Vol. 44, pp. 165-190

상세보기
Song, J.L., Dowson, A.L., Jacobs, M.H., Brooks, J., Beden, I., 2002, 'Coupled Thermo-Mechanical Finite-Element Modelling of Hot Ring Rolling Process,' Journal of Material Processing Technology, Vol. 121, pp. 332-340

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