[논문]판재의 편평도 향상을 위한 교차압연에 관한 연구

남경오; 서기석; 노병래; 홍성인

doi:10.5228/kspp.2005.14.1.043

판재의 편평도 향상을 위한 교차압연에 관한 연구
A Study on the Cross Rolling for Improvement of Flatness of Plate 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.14 no.1 = no.73, 2005년, pp.43 - 48

남경오 (충남대학교 기계공학과 대학원) , 서기석 (한국원자력연구소) , 노병래 (국방과학연구소) , 홍성인 (충남대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The production of metal strip with uniform thickness and flatness are two important problems associated thin strip rolling. The thickness and flatness of strip are affected by the flattening of contact surface between strip and roll, the elastic recovery and the bending of roll. Especially, the flatness of the strip is greatly affected by bending deflection of roll. The roll must be designed considered the elastic deformation of roll. This study describes the measurement of thickness and flatness of strip and shows the crown roll for producing flat strip. But it is difficult to produce the crown roller. The cross rolling that is a simple method which can produce the flat strip is introduced and it is found the optimal cross angle for improvement of flatness of plate. These problems are solved by the MARC code on the basis of elastic-plastic material and the updated Lagrangian formulation.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 롤러를 탄성체로 설정하고 판재에 대해 탄소성 유한 요소 해석을 수행함으로써 판재의 탄성 변형량이 판재의 두께 정밀도에 미치는 영향과 롤러의 탄성 변형이 소재의 편평도(flatness) 에 어떤 영향을 주는지 살펴보았다. 특히 판재의 편평도를 향상시키기 위한 방법으로서 롤러의 중앙을 측면보다 상재적으로 크게 제작한 크라운(crowned) 롤러를 적용한 압연 방식과 롤러의 중심축을 서로 엇갈리게 배치하여 측면부의 압축 하중이 상대적으로 중앙부보다 작게 작용할 수 있도록 가공하는 교차 압연 해석을 통해 판재의 편평도가 얼마나 향상되는지를 살펴보았다.
본 연구에서는 롤러의 탄성 변형을 3차원 압연 공정의 탄소성 유한 요소 해석을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

가설 설정

Case 1에서 3까지는 롤러와 판재의 상하좌우 대칭성을 고려하여 1/4 모델을 이용하여 해석을 수행하였고, 나머지 경우는 롤러의 중심축이 평행하게 배치되어 있지 않기 때문에 좌우 대칭성만을 고려하여 1/2 모델을 이용하여 해석을 수행하였다. 또한 Casel의 경우에는 롤러를 강체로 가정하였으며, 나머지 경우에는 탄성체로 가정하였고, 판재는 탄-완전소성체 (elastic-perfectly plastic material)로 가정하여 해석을 수행하였다. 모든 해석 경우에 있어서 판재의 압하율(reduction)은 15%를 적용하였다.

제안 방법

각각의 해석에 대한 가정들과 교차각도 조건들은 Table 3과 같다. Case 1에서 3까지는 롤러와 판재의 상하좌우 대칭성을 고려하여 1/4 모델을 이용하여 해석을 수행하였고, 나머지 경우는 롤러의 중심축이 평행하게 배치되어 있지 않기 때문에 좌우 대칭성만을 고려하여 1/2 모델을 이용하여 해석을 수행하였다. 또한 Casel의 경우에는 롤러를 강체로 가정하였으며, 나머지 경우에는 탄성체로 가정하였고, 판재는 탄-완전소성체 (elastic-perfectly plastic material)로 가정하여 해석을 수행하였다.
아울러 최적의 교차 각도(cross angle)를 해석을 통해 계산하였다. 본 연구를 위해 상용 유한 요소 프로그램인 MARC를 사용하여 탄성체인 롤러와 판재의 탄소성 유한 요소 해석을 통해 3차원 압연 공정 해석을 수행하였다.
특히 판재의 편평도를 향상시키기 위한 방법으로서 롤러의 중앙을 측면보다 상재적으로 크게 제작한 크라운(crowned) 롤러를 적용한 압연 방식과 롤러의 중심축을 서로 엇갈리게 배치하여 측면부의 압축 하중이 상대적으로 중앙부보다 작게 작용할 수 있도록 가공하는 교차 압연 해석을 통해 판재의 편평도가 얼마나 향상되는지를 살펴보았다. 아울러 최적의 교차 각도(cross angle)를 해석을 통해 계산하였다. 본 연구를 위해 상용 유한 요소 프로그램인 MARC를 사용하여 탄성체인 롤러와 판재의 탄소성 유한 요소 해석을 통해 3차원 압연 공정 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 롤러를 탄성체로 설정하고 판재에 대해 탄소성 유한 요소 해석을 수행함으로써 판재의 탄성 변형량이 판재의 두께 정밀도에 미치는 영향과 롤러의 탄성 변형이 소재의 편평도(flatness) 에 어떤 영향을 주는지 살펴보았다. 특히 판재의 편평도를 향상시키기 위한 방법으로서 롤러의 중앙을 측면보다 상재적으로 크게 제작한 크라운(crowned) 롤러를 적용한 압연 방식과 롤러의 중심축을 서로 엇갈리게 배치하여 측면부의 압축 하중이 상대적으로 중앙부보다 작게 작용할 수 있도록 가공하는 교차 압연 해석을 통해 판재의 편평도가 얼마나 향상되는지를 살펴보았다. 아울러 최적의 교차 각도(cross angle)를 해석을 통해 계산하였다.

성능/효과

(1) 압연 공정의 탄소성 유한 요소 해석으로 소재의 탄성 회복으로 인한 소재의 두게 변화와 소재의 폭방향에 대한 편평도를 확인할 수 있었으며 각각의 값을 정량화할 수 있었다.
(2) 롤러의 탄성 변형은 소재의 두께 변화는 물론 편평도에도 크게 영향을 미치고 있으며 크라운롤러를 적용한 압연 공정 해석을 통해 판재의 편평도를 향상시킬 수 있었다.
(3) 교차각 변화에 따라 교차 압연을 해석하고 이 결과를 토대로 두께 편차를 최소화하기 위한 최적의 교차각을 구할 수 있었으며 이 교차각을 적용한 교차 압연을 통해 편평도가 향상되었음을 알 수 있었다. 특히 크라운롤러의 설계와 제작의 어려움을 고려해 볼 때 해석을 통한 교차각의 예측이나 교차 압연의 해석은 더욱 중요한 의미를 가진다고 볼 수 있다.
그리고 step 6을 지나면서 판재는 다시 정상 상태가 되었다. 이 결과는 기존의 강소성 유한 요소법을 적용한 해석에서는 얻을 수 없었던 탄성 회복량을 정략적으로 구할 수 있기 때문에 가공 후 판재의 두께를 좀 더 정밀하게 예측하는 것이 가능하였다. 그러나 이 해석에서는 롤러를 강체로 가정하였기 때문에 롤러의 굽힘 변형이 판재의 두께 변화에 미치는 영향을 알 수는 없다.
Table 4는 교차각을 변화시키면서 압연공정을 수행하고 그 결과 중에서 판재의 두께 변화를 비교한 것으로 두께 편차는 중앙부의 두께와 측면부 두께의 차이를 표시한 것이다. 이 결과에서 보면 교차각이 커지면서 판재의 두께 편차가 작아지는 경향을 보여주고 있으며 교차각이 4.0°를 넘으면서는 오히려 두께 편차 값이 음수를 나타내는 데 이것은 일정 교차각 이상에서 압연 공정이 이루어질 경우 측면부의 두께가 오히려 중앙부보다 더 두껍게 성형됨을 보여주는 결과로 볼 수 있다.
7은 case 2의 결과를 토대로 판재의 측면부와 중압부의 두께 편차를 롤러에 적용해 설계한 크라운롤러를 적용한 압연 해석 결과로 판재의 두께 변화를 나타낸 그래프다. 이 그래프에서 판재는 case 2에서와 같이 단순한 원통형의 롤러를 적용했을 때 나타난 롤러의 굽힘량을 롤러의 크라운 형상이 일정량 보정할 수 있었기 때문에 Fig. 4와 비교해볼 때 case 2에서 두께 편차가 0.37mm인 반면 case 3에서는 0.16mm를 보여 편평도 측면에서 좀 더 우수한 결과를 보였다. 그러나 크라운롤러를 생산하기 위해서는 정밀한 생산 공정이 요구되며, 제품의 규격마다 크라운롤러를 다시 설계해야하는 단점을 가진다.
판재는 step 1에서 롤러와 접촉하게 되고 step 5까지 15%의 압하율이 적용되어 6mm의 두께 감소를 보이고 있다. 판재는 step 5를 지나면서 롤러의 중심부를 지나게 되고, step 5와 6사이 에서 판재의 탄성 회복으로 평균 0.26mm의 두께 방향의 탄성 회복량을 보이고 있다. 그리고 step 6을 지나면서 판재는 다시 정상 상태가 되었다.

참고문헌 (10)

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윤상건, 김동원, 1987, 압연판의 두께 정밀도에 관한 연구, 대한기계학회 논문집, Vol. 11, No. 5, pp. 837-845
신형우, 김낙수, 박종진, 1993, 유한요소법에 의한 H 형강 압연공정의 해석, 대한기계학회 논문집, Vol. 17, No. 5, pp. 1095-1105

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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