[논문]Ti-6Al-4V 합금의 대형 링 압연공정설계

염종택; 김정한; 이동근; 박노광; 최승식; 이종수

doi:10.5228/kspp.2007.16.3.172

Ti-6Al-4V 합금의 대형 링 압연공정설계
Process Design for Large-Scale Ring-Rolling of Ti-6Al-4V Alloy 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.16 no.3 = no.93, 2007년, pp.172 - 177

염종택 (한국기계연구원, 재료기술연구소) , 김정한 (한국기계연구원, 재료기술연구소) , 이동근 (한국기계연구원, 재료기술연구소) , 박노광 (한국기계연구원, 재료기술연구소) , 최승식 (㈜ 태웅) , 이종수 (포항공과대학교 신소재공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The process design for large-scale ring rolling of Ti-6Al-4V alloy was performed by calculation method, processing map approach and FEM simulation. The ring rolling design includes geometry design and optimization of process variables. The calculation method was used to make geometry design such as initial billet and blank sizes, and final rolled ring shape. A commercial FEM code, SHAPE-RR was used to simulate the effect of process variables in ring rolling on the distribution of the internal state variables such as strain, strain rate and temperature. In order to predict the forming defects during ring rolling and the formation of over-heating above $\beta$-transus temperature due to deformation heating, the process-map approach based on Ziegler's instability criterion was used with FEM simulation. Finally, an optimum process design to obtain sound Ti-6Al-4V rings without forming defects was suggested through combined approach of Ziegler's instability map and FEM simulation results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 대형 Ti-6A1-4V 합금 링 부품의 링압연공정 에 대하여 결함억 제 및 여 러 허용치 등을 고려한 preform, 블랭크(blank) 및 최종 링제품의 크기결정과 관계된 형상 설계 방법을 제시하였다. 또한 최적의 공정조건을 도출하는 방법으로, FEM 해석을 활용하여 일차적으로 선정된 몇 가지 공정설계 조건에 대해 균일변형, 하중 최소화, 불균일 미세조직 억제 등의 측면에서 최적인 조건을 선정한 후 최종적으로 에너지 분산 효율 및 유동불안정성을 기초한 모델을 활용하여 제시된 변형공정지도와 FEM 해석을 연계한 방법을 활용하여 성형결함 및 불균일 미세조직 등의 발생 여부를 예측 평가함으로써 최적의 성형조건을 제시하였다.
내.외부 균열에 대한 예측을 위해서, 여러 소성안정 및 불안정기준 중 내열소재에 대하여 신뢰성이 입증된 Ziegler[6~기의 소성불안정기준을 적용하고자 하였다.

가설 설정

SHAPE-RR에 의해 수행되었다. 이때 마찰계수와 계면 열전달계수는 각각 0.5와 20kW/°Km2 을 이용하였고, 금형의 초기 가열온도는 150℃, 회전롤의 회전속도는 26rpm으로 가정하였다. 공정설계 조건으로는 소재의 온도, 맨드렐의 압축속도 등을 들 수 있으며, 링압연공정 설비의 성능을감안하여 소재 온도구간은 900~970℃, 맨드렐의압축속도는 0.

제안 방법

Ti-6A1-4V합금의 성 형조건을 결정 하기 위 해서는 이 합금의 변태점을 측정하는 것은 상당히 중요한 일이며, 본 연구에서는 900~1015℃ 영역에서 1시간동안 열처리한 후 급냉하는 방법으로 변태점을 측정하였다. 이러한 실험을 통해 약 99ITC가 이 합금의 [3변태점 임을 알 수 있었다.
5와 20kW/°Km2 을 이용하였고, 금형의 초기 가열온도는 150℃, 회전롤의 회전속도는 26rpm으로 가정하였다. 공정설계 조건으로는 소재의 온도, 맨드렐의 압축속도 등을 들 수 있으며, 링압연공정 설비의 성능을감안하여 소재 온도구간은 900~970℃, 맨드렐의압축속도는 0.5, lmm/s로 변화시켜 FEM해석이 수행되었고, 형상 측면에서의 균일성 여부를 조사함으로써 일차적인 공정조건을 도출하였다. 이때 블랭크의 형상은 앞서 형상설계에서 얻어진 결과를 활용하였다.
또한 최적의 공정조건을 도출하는 방법으로, FEM 해석을 활용하여 일차적으로 선정된 몇 가지 공정설계 조건에 대해 균일변형, 하중 최소화, 불균일 미세조직 억제 등의 측면에서 최적인 조건을 선정한 후 최종적으로 에너지 분산 효율 및 유동불안정성을 기초한 모델을 활용하여 제시된 변형공정지도와 FEM 해석을 연계한 방법을 활용하여 성형결함 및 불균일 미세조직 등의 발생 여부를 예측 평가함으로써 최적의 성형조건을 제시하였다.
본 연구에서는 계산방법, 변형공정지도, FEM 해석 등을 통해 외경 900mm급 Ti-6A1-4V합금 링의 공정설계를 수행하고 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구의 공정설계 방안에 따라 얻어진 최적화 공정조건을 검증하기 위한 링 압연공정은 최대직경 2, 500mm, 높이 600mm를 제조할 수 있는 100톤 용량의 링압연기를 통하여 수행하였고, main roll, 맨드렐(mandrel), 축롤(axial roll) 등 금형의 가열온도는 약 150℃, main roll의 회전속도는 26rpm에서 최적화된 공정조건에 따라 수행하였다.
한편, 유동응력은 변형량, 변형속도, 온도 등의 내부상태변수에 의존하며, 이러한 유동응력을 표현하기 위해서 다음과 같은 구성방정식을 활용하였다.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 T1-6A1-4V 합금 빌렛은 VAR/VAR double 용해된 잉고트로 부터 2차 코깅공정에 의해서 제조하였다.

이론/모형

본 연구에서 링압연공정의 FEM해석 은 상용코드인 SHAPE-RR에 의해 수행되었다. 이때 마찰계수와 계면 열전달계수는 각각 0.
본 연구에서 링압연품, 초기 빌렛, 블랭크(Blank)등의 형상은 Shivpuri [5]등에 의해서 제안 된 계산방법을 기초로 수행 되었다. 먼저 , 링 압연 성형품의 표면부에 대한 허용치는 다음과 같은 세 가지 인자를 기준으로 결정하게 된다.

성능/효과

(1) 링압연공정시 두께 감소율과 높이 감소율 상호 간의 균일변형 이론을 도입하여 fishtail 결함을 최소화 할 수 있는 계산방법을 수립하고, 초기빌렛과블랭크 등의 최적 형상설계를 얻을 수 있었다.
(2) FEM 해석 과 Ziegler 의 소성 불안정 인자를 이용하여 얻어진 소성불안정 공정지도를 활용하여 900mm 급 대형 Ti-6A1-4V 합금의 최적공정설계가 이루어진 결과, 소재가열온도 950℃ 와 맨드렐의 압축속도 0.5mm/s 를 최적 공정조건으로 결정할 수 있었다.
(3) 본 연구에서 제시된 최적조건에서 실제 링 압연을 수행한 결과 성형결함이 없는 건전한 Ti- 6A1-4V 합금 링제품이 얻어졌음을 확인하였다.
따라서, FEM 해석결과와 소성불안정 지도를 활용한 최적화 공정설계를 통해 주어진 현장 조건에서 900mm 급 Ti-6AI-4V 합금 링 의 최적 링 압연공정 조건은 가열온도 950℃, 맨드렐의 평균 압축속도 0.5mm/s 로 최종 결정되었다.
결국, 이러한 변형집중이 과도할 경우 그 형상으로 유추된 “fishtail” 결함발생의 직접적인 요인이 될 수 있다. 온도분포의경우 변형량분포와 반대로 중심부가 표면부에 비해온도가 높게 나타났으며, 이는 표면에서 소성변형에 의한 온도상승 효과보다는 금형으로의 열손실로인한 온도하강이 더욱 크게 발생하고 있음을 짐작할 수 있는 결과이다. 또한, 링압연공정별 온도분포에서 소재가열온도가 970℃ 이고, mandrel 의 압축속도가 lmm/s 인 경우 중심부의 최대온도가 990℃ 로이는 변형열로 인해 국부적으로 중심부 온도가 변태온도 이상으로 상승할 수 있음을 나타내는 결과로, 결국 이러한 조건으로 링압연을 수행하는 경우조직적인 불균일을 초래할 수 있음을 의미한다.
5mm/s 조건에서 링압연공정을 수행한 실제 링제품의 절단면과 FEM 해석결과를 비교한 것이다. 최적조건에서 성형된 링압연품의 경우 성형결함이 없는 건전한 제품임을 관찰할 수 있으며, FEM 해석결과는 실제 링압연품의 형상을잘 묘사하고 있음을 알 수 있다.

참고문헌 (7)

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Z. J. Szabo, E. Bittrich, 1996, Manufacturing systems for the production of seamless-rolled rings, J. Mater. Proc. Tech., Vol. 60, pp. 67-72

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S. V. S. N. Murty, B. N. Rao, B. P. Kashyap, 2000, Instability criteria for hot deformation of materials, Int. Mater. Rev., Vol. 45, pp. 15-26

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R. Shivpuri, E. Eruc, 1993, Planning and simulation of the ring rolling process for improved productivity, Int. J. Mach. Tools Manufact., Vol. 33, pp. 153-173

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염종택, 김두현, 나영상, 박노광, 2001, Ti-6Al-4V 합금의 고온변형거동 규명, 한국소성가공학회지, 제 10권, pp. 347-354

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염종택, 박노광, 이유환, 이종수, 2004, Ti-6Al-4V 합금의 열간 후방압출에 대한 성형 안정성 평가모델의 고찰, 한국군사과학기술학회지, 제 7권, pp. 84-92

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