[논문]타이타늄합금 형상 링 압연공정 연구

염종택; 김정한; 이동근; 박노광; 최승식; 이종수

doi:10.5228/kspp.2007.16.4.223

문제 정의

기존의 연구[기에서 Ti-6A1-4V합금의 선 형 링 압연공정 시 최적 성형조건의 도출이 수행된 바 있으며, 본 연구에서는 이와 동일한 성형조건에서 우선적으로 형상 링 압연공정에 대해 FEM해석을 수행하였다. 즉, 성형온도는 950℃, 주 구동롤(Main Roll)의 회전속도는 평균 26rpm, 압축롤(Mandrel)의평 균 압축속도는 0.
본 연구에서는 성형결함을 최소화하기 위한 계산 방법을 활용한 형상설계와 FEM해석을 통한 Ti- 6A1-4V합금 형상 링압연 공정설계를 수행하였고, 이러한 형상 및 공정설계를 기초로 실제 형상 링 압연공정을 수행한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
3에 나타낸 절차에 따라 수행되었다. 본 연구에서는 형상 링압연품을 제조하기 위한 방법으로, 블랭크 제작공정을 거친 후 링압연공정 또는 링 단조 공정을 통해 적정 크기의 선형 링을 제조하고, 이러한 선형 링으로부터 최종단계에서 형상을 가지는 금형 (Mandrel, Main Roll 등)을 활용하여 형상을 구현하는 방법을 이용하고자 하였다.

제안 방법

결국, 이러한 계산방법과 현장조건 등을 고려하여 형상 링압연공정에 활용될 블랭크 및 선형 링압연품의 크기를 결정하였다. 즉, 블랭크의 치수는 670mm ODx 185mm IDx300mm H 이며, 선형 링압연품의 크기는 970mm ODx700mm IDx 270mmH로 결정되었다.
또한, 미세조직의 변화와 특성간의 관계를 고찰하였다.
본 연구에서는 타이타늄 합금 형상 링부품에 대하여 결함억제 및 여러 허용치 등을 고려한 계산방법에 의해 초기빌렛크기, 블랭크 설계 등이 수행되었고, 결정된 형상 설계결과를 바탕으로 FEM해석을 수행하여 형상 링 압연공정시 금형으로의 미충진 문제, 링밀(Ring Mill)설비 용량 초과여부 및 하중변화 분석, 부위별 변형량 및 온도분포 등이 예측되 었다. 또한, 이러한 예측결과를 바탕으로 최적 형상 링 압연공정 방안을 도출하였다. 최종적으로, 설계된 공정조건에 따라 제조된 타이타늄 형상 링 압연 품에 대한 기계적 특성 및 미세조직 분석 등을 통해 성형품의 건전성을 평가하였다.
그러나, 선진업체에서도 형상 링 압연공정의 경우 블랭크 및 최종 공정설계에서 FEM해석기술을 일부 활용하여 제한된 부품에 적용하고 있는 것으로 판단되며, 삼차원 FEM해석의 신뢰성을 향상시키기 위한 노력이 꾸준히 이루어지고 있는 실정이다. 본 연구에서는 타이타늄 합금 형상 링부품에 대하여 결함억제 및 여러 허용치 등을 고려한 계산방법에 의해 초기빌렛크기, 블랭크 설계 등이 수행되었고, 결정된 형상 설계결과를 바탕으로 FEM해석을 수행하여 형상 링 압연공정시 금형으로의 미충진 문제, 링밀(Ring Mill)설비 용량 초과여부 및 하중변화 분석, 부위별 변형량 및 온도분포 등이 예측되 었다. 또한, 이러한 예측결과를 바탕으로 최적 형상 링 압연공정 방안을 도출하였다.
실제 형상 링압연공정은 앞서 제시된 성형온도, 평균 압축속도에 따라 수행하였으며, 설계된 선형링 형상으로부터 한번의 공정으로 형상 링 압연을 수행하는 것으로 계획되었다. 그러나, 한번의 공정으로 형상 링압연을 수행하는 도중 하중이 거의 최대에 도달하였고, 최종단계에서 미충진 부분이 발생하여 재가열후 최종 링압연이 수행되었다.
즉, 성형온도는 950℃, 주 구동롤(Main Roll)의 회전속도는 평균 26rpm, 압축롤(Mandrel)의평 균 압축속도는 0.5mm/s로 형상 링압연공정 을 수행하였다.
또한, 이러한 예측결과를 바탕으로 최적 형상 링 압연공정 방안을 도출하였다. 최종적으로, 설계된 공정조건에 따라 제조된 타이타늄 형상 링 압연 품에 대한 기계적 특성 및 미세조직 분석 등을 통해 성형품의 건전성을 평가하였다.
한편, 공정 설계 방안에 따라 Ti-6A1-4V합금 형상 링 시 제품이 제작되 었고, Ti-6A1-4V합금 링제품의 부위별 미세조직 관찰과 함께 인장 및 충격 특성 등을 수행하여 본 제품의 건전성을 조사하였다. 또한, 미세조직의 변화와 특성간의 관계를 고찰하였다.
한편, 본 연구에서 사용된 Ti-6A1-4V합금의 (3변태점을 측정하기 위하여 900~1015℃영역에서 1 시간 동안 등온 유지한 후 급냉하고, 조직을 관찰하는 방법의 열처리 시험을 수행하였다. 그 결과, 본 연구에서 사용된 Ti-6A1-4V합금의 변태 온도는 약 990℃2임을 알 수 있었다.
형 상 링압연 공정 시 회 전롤(Main Roll), 맨드렐 (Mandrel), 축롤(Axial Roll) (이들을 종칭하여 금형으로 명명함.) 등의 가열온도는 약 150℃로 측정되었으며, 회전롤(Main Roll)의 회전속도는 26rpm로 수행하였다.
었다. 형상 링압연공정의 FEM해석은 상용코드인 SHAPE-RR 프로그램을 사용하였으며, 마찰계수와 계면 열전달계수는 각각0.5와 ZOkW/njC를 적용하였다[5]. 또한 FEM해석에 사용된 구성방정식은 다음과 같다.

대상 데이터

4에 형상 링 압연공정 에 대한 FEM해석 모델링 을 나타내 었다. FEM해석 에 사용된 mesh는 Brick형 태가 적용되었고, 금형과 소재가 접촉되는 부위에 대하여 fine mesh가 적용되었다.
본 연구에서 목표로 하는 대상제품은 항공기 엔진용 형상 링부품으로 제품은 개략적으로 1, 340mm ODxl, 127mm lDx264mm H의 치수를 가진다. 이러한 형상 링 압연품을 제작하기 위해서 Fishtail, fold 등의 성형결함을 최소화하기 위한 조건으로 링의 두께와 높이 사이의 관계를 정의하는 다음과 같은 관계식이 활용되었다[6].
본 연구에서 사용된 Ti-6A1-4V합금 빌렛의 화학성분은 Table 1에 나타내었고, 부위별 미세조직은 Fig. 1에 나타내었다.

성능/효과

(1) 계산방법의 활용과 현장조건을 감안한 블랭크 및 선형 링 형상설계에서 블랭크의 치수는670mm ODxl85mm IDx300mm H 이며, 선형 링 압연 품의 크기는 970mm ODx700mm IDx270mm H로 결정되었다.
(2) 형상 링압연공정에 대한 FEM해석결과, 변형량 분포는 형상이 주어지는 부위에 일부 집중되었고, 온도분포는 변형열에 의한 온도상승보다는 금형과의 접촉으로 인한 온도손실 효과가 더욱 크게 나타나, 중심부의 온도가 초기 가열온도 95℃에 비해 10℃ 정도 하강하는 것으로 예측되었다.
(3) 형상 링압연공정에서 얻어진 링제품의 미세조직관찰 결과, 변형되지 않은 영역(dead metal zone)이 거의 생성되지 않았으며, 표면부 a-case 형성층과 중심부의 등축정 a상과 변태된 0상으로 구성된 혼합조직 사이에 약 500um정도의 연신된 a상이 존재하는 층이 형성되었다.
(4) 설계된 형상 링압연공정조건에 따라 제조된 형상 링의 특성 평가결과, 모두 요구규격을 만족하는 건전한 링부품임을 확인하였다.
방법의 열처리 시험을 수행하였다. 그 결과, 본 연구에서 사용된 Ti-6A1-4V합금의 변태 온도는 약 990℃2임을 알 수 있었다.
결국, 이러한 계산방법과 현장조건 등을 고려하여 형상 링압연공정에 활용될 블랭크 및 선형 링압연품의 크기를 결정하였다. 즉, 블랭크의 치수는 670mm ODx 185mm IDx300mm H 이며, 선형 링압연품의 크기는 970mm ODx700mm IDx 270mmH로 결정되었다.
3에 나타내었다. 표에서 알 수 있는 바와 같이 상온인장 및 충격치 모두 규격을 만족하고 있음을 알 수 있으며, 결국, 본 연구에서 개발된 형상 링압연품의 경우 치수 정밀도 측면에서 일부 개선할 점은 있으나, 조직 및 특성 측면에서 건전한 형상 링 Ti-6A1-4V합금 압연품인 것으로 평가되었다.
6의 최대변형량이 나타남을 알 수 있다. 한편, 온도분포의 경우 표면부에 비해 중심부의 온도가 높음을 관찰할 수 있으며, 변형열에 의한 온도상승보다는 표면으로의 열손실이 휠씬 커서 중심부에서 약 -10℃로 온도하강이 일어났다. 또한 표면 부에서 가장 온도가 많이 하강된 부위는 위쪽 모서리 부위로 약 408℃로 해석되었음을 관찰할 수 있다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

타이타늄합금 형상 링 압연공정 연구
A Study on Profile Ring Rolling Process of Titanium Alloy 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

참고문헌 (7)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

타이타늄합금 형상 링 압연공정 연구 A Study on Profile Ring Rolling Process of Titanium Alloy 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

성능/효과

참고문헌 (7)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

최승식 (3) 이종수 (32)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

타이타늄합금 형상 링 압연공정 연구
A Study on Profile Ring Rolling Process of Titanium Alloy 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper