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문제 정의
- 따라서 본 연구의 목적은 컴퓨터 하드디스크의 주요부품인 HDA(Hard Disk Arm)의 알루미늄 열간 압출공정에서 압출재의 결정립 성장 제어를 통해 결정립이 미세한 고강도의 제품을 얻는데 있다. 압출재의 냉각을 위해 본 연구에서는 질소가스에 의한 금형 냉각시스템을 적용한 열간 압출공정을 고려하였다.
- 열간 압출성형해석 결과로부터 압출재의 온도분포를 파악하기 위하여 질소가스에 의한 냉각된 압출재의 온도분포를 조사하였다. 압출재의 온도는 접합실에서 베어링 부를 통과한 직후의 압출재 외부 표면 온도를 측정하여, Fig.
가설 설정
- 7 에 나타내었으며, 압출금형 및 압출재의 형상이 비대칭이기 때문에 3D 전체형상을 고려하였다. 소재는 변형체 모델로, 압출금형 및 램은 변형을 수반하지 않은 강체로 가정하여 해석하였다.
제안 방법
- CFD 해석결과의 신뢰성을 검증하기 위해 CFD 해석과 동일한 조건으로 금형 냉각실험을 수행하였다. 냉각실험에 사용된 금형의 크기와 재질은 열간 압출 시, 현장에서 적용되는 압출금형과 동일하며 냉각유로의 형상, 크기 및 평균 표면거칠기도 동일하게 제작하였다.
- 실제 열간 압출 시, 압출금형의 하우징 역할을 하는 단열케이스를 제작하여 금형에 단열조건을 부여하였다. 가열된 소재와 압출금형과의 열전달을 고려하기 위해 소재 역할을 하는 카트리지 히터(Cartridge heater)를 상부금형(Upper die)에 설치하고, 실험이 진행되는 동안 지속적인 열원을 공급하게 하였다. 금형의 냉각 온도 측정 시, 가공상의 문제로 열전대(Thermocouple)와 유로의 벽면을 완전히 접촉시킬 수 없기 때문에 최소한의 가공치수인 2mm 떨어진 지점에 슈퍼드릴 가공을 하여 오차를 줄였다.
- 냉각유로는 백커(Backer)의 상단부에 위치하며 베어링 부를 국부적으로 냉각한다. 그리고 냉각유로 내의 질소가스는 입구부(Inlet)를 시작으로 화살표 방향으로 유동한 뒤, 총 4 곳의 출구부(Outlet)로 배출 되게 설계하였다. 냉각유로의 가공 시, 냉각유로의 표면거칠기 정도에 따라 질소가스의 유동에 많은 영향을 미칠 것이라 판단하여, 정삭 가공으로 평균 표면거칠기(Ra)를 25 ㎛로 가공하였다.
- 그리고 압출재의 미세조직 관찰은 질소 냉각시스템의 적용 유·무 및 압출속도에 변화에 따라 시편을 채취하여 압출재의 결정립 성장여부를 관찰하였다.
- 금형 냉각시스템에 의해 냉각되는 압출재 온도를 확인하기 위하여 질소 냉각시스템의 적용 유·무에 따라 압출속도를 변화시켜 해석하였다.
- 금형 냉각시스템에 의해 냉각되는 압출재 온도를 확인하기 위하여 질소 냉각시스템의 적용 유·무에 따라 압출속도를 변화시켜 해석하였다. 금형 냉각시스템을 적용한 경우에는 CFD 해석으로 구한 냉각유로 절점의 온도데이터를 성형해석 프로그램에서 격자 분할된 냉각유로의 절점에 입력하여 열간 압출성형해석을 수행하였고, 금형 냉각시스템을 적용하지 않을 경우는 냉각유로의 절점에 냉각된 온도데이터의 입력조건 없이 바로 해석하였다.
- 압출재의 결정립 성장 제어를 위해서는 결정립 크기에 대한 판단기준이 필요하다. 따라서 소재가 고온변형 뒤 재결정 과정을 거친 후, 최종 결정립이 성장된 분포로 판단기준으로 설정하였다.
- 열간 압출실험은 최대 압출하중이 1800ton 인 압출기에서 직접압출방식을 적용하여, 열간 압출성형해석과 동일한 조건으로 금형 냉각시스템의 적용 유·무에 따라 압출속도를 변화시켜 수행하였다. 또한 각 압출조건에 대하여 소재를 5 개씩 컨테이너(Container)에 삽입하여 연속적으로 압출하였으며, 압출재의 온도 측정은 비 접촉식 온도 측정기를 사용하여 베어링 부를 통과한 직후의 압출재 온도를 측정하였다. 그리고 압출재의 미세조직 관찰은 질소 냉각시스템의 적용 유·무 및 압출속도에 변화에 따라 시편을 채취하여 압출재의 결정립 성장여부를 관찰하였다.
- 또한 해석결과의 타당성을 검증하기 위해 금형 냉각실험 및 열간 압출 실험을 수행하여 압출 금형 및 압출재의 온도분포를 파악하고, 유한요소해석과 비교해 보았다. 또한 압출재의 결정립 성장을 제어하기 위한 압출공정 조건을 확립하였다.
- 또한 접합실의 크기를 고려하여 냉각유로의 치수는 가로 120mm, 세로 80mm 으로 하였으며, 냉각유로의 단면은 가공 시 가장 용이한 형상인 8mm×2mm 의 직사각형으로 설계하였다.
- 이에 따라 질소가스에 의한 열간 압출 금형의 냉각효과를 파악하기 위해 유체유동해석(Computational Fluid Dynamics; CFD)을 수행하였으며, 유체유동해석 결과와 연계한 유한요소해석(FE-Simulation)을 통해 열간 압출공정에서 압출재의 온도분포를 예측하였다. 또한 해석결과의 타당성을 검증하기 위해 금형 냉각실험 및 열간 압출 실험을 수행하여 압출 금형 및 압출재의 온도분포를 파악하고, 유한요소해석과 비교해 보았다. 또한 압출재의 결정립 성장을 제어하기 위한 압출공정 조건을 확립하였다.
- 본 연구에서는 HDA 의 Al6061 열간압출 공정에서 질소가스를 이용한 금형 냉각시스템을 적용하여 열간압출 성형해석 및 실험을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 성형해석 결과의 검증 및 금형 냉각시스템의 적용에 따른 압출재의 온도변화가 미세조직에 미치는 영향을 파악하기 위하여 열간 압출실험을 수행하였다. 열간 압출실험은 최대 압출하중이 1800ton 인 압출기에서 직접압출방식을 적용하여, 열간 압출성형해석과 동일한 조건으로 금형 냉각시스템의 적용 유·무에 따라 압출속도를 변화시켜 수행하였다.
- 슈퍼드릴 가공은 Ø1.6mm×h150mm 4 곳, Ø1.6mm×h120mm 4 곳으로 하여 총 8 곳에 가공하였으며, 이 슈퍼드릴 가공한 곳에 K-Type 열전대를 삽입하여 금형이 냉각되는 온도를 측정하였다.
- 따라서 본 연구의 목적은 컴퓨터 하드디스크의 주요부품인 HDA(Hard Disk Arm)의 알루미늄 열간 압출공정에서 압출재의 결정립 성장 제어를 통해 결정립이 미세한 고강도의 제품을 얻는데 있다. 압출재의 냉각을 위해 본 연구에서는 질소가스에 의한 금형 냉각시스템을 적용한 열간 압출공정을 고려하였다. 이에 따라 질소가스에 의한 열간 압출 금형의 냉각효과를 파악하기 위해 유체유동해석(Computational Fluid Dynamics; CFD)을 수행하였으며, 유체유동해석 결과와 연계한 유한요소해석(FE-Simulation)을 통해 열간 압출공정에서 압출재의 온도분포를 예측하였다.
- 압출재의 압출온도를 예측하기 위해 열간 압출성형해석을 수행하였다. 금형 냉각시스템에 의해 냉각되는 압출재 온도를 확인하기 위하여 질소 냉각시스템의 적용 유·무에 따라 압출속도를 변화시켜 해석하였다.
- 열간 압출공정에서 질소가스를 이용하여 압출금형을 냉각시키기 위한 냉각시스템을 설계 및 제작 하였다. 먼저 본 연구에서 적용한 압출금형은 4 홀로 구성된 포트홀(Porthole) 방식이며, 금형의 재질은 열간 금형강인 STD 61 을 사용하였다.
- 열간 압출실험은 최대 압출하중이 1800ton 인 압출기에서 직접압출방식을 적용하여, 열간 압출성형해석과 동일한 조건으로 금형 냉각시스템의 적용 유·무에 따라 압출속도를 변화시켜 수행하였다.
- 열간 압출실험을 통해서 압출재의 온도 측정 및 미세조직을 관찰하였다. 먼저 열간 압출실험과 성형해석에서 동일한 지점의 압출재 온도를 비교하여 Fig.
- 초기온도 25℃인 질소가스를 50L/min의 유량으로 금형 내부의 냉각유로에 유동시켜 매 1 초의 간격으로 시간변화에 따라 금형의 냉각 온도를 측정하였다. 온도 측정장비는 Tokyo sokki kenkyujo 사의 TDS-602 을 사용하였으며, 상부금형에 설치된 카트리지 히터에 의한 열원과 질소가스에 의한 금형 냉각온도가 평형이 이루어진 정상상태(Steady state)까지 실시간으로 측정하였다.
- 따라서 열간 압출성형해석을 수행하기 앞서 선행적으로 냉각유로 내 질소가스의 유동특성을 파악하고 이에 따른 냉각유로의 온도 데이터를 확보해야 한다. 이를 위해 CFD 해석을 통하여 질소가스의 유동특성 및 냉각유로의 온도 데이터를 확보하였다.
- 그리고 압출재의 미세조직 관찰은 질소 냉각시스템의 적용 유·무 및 압출속도에 변화에 따라 시편을 채취하여 압출재의 결정립 성장여부를 관찰하였다. 이를 위해 압출재가 베어링 부를 통과한 직후, 즉시 수냉(Water quenching)하여 175℃에서 9 시간 동안 인공시효(Artifical aging) 열처리하여 미세조직을 관찰하였다.
- 압출재의 냉각을 위해 본 연구에서는 질소가스에 의한 금형 냉각시스템을 적용한 열간 압출공정을 고려하였다. 이에 따라 질소가스에 의한 열간 압출 금형의 냉각효과를 파악하기 위해 유체유동해석(Computational Fluid Dynamics; CFD)을 수행하였으며, 유체유동해석 결과와 연계한 유한요소해석(FE-Simulation)을 통해 열간 압출공정에서 압출재의 온도분포를 예측하였다. 또한 해석결과의 타당성을 검증하기 위해 금형 냉각실험 및 열간 압출 실험을 수행하여 압출 금형 및 압출재의 온도분포를 파악하고, 유한요소해석과 비교해 보았다.
- 질소가스의 유동특성과 냉각효과를 파악하기 위해 CFD 해석에 필요한 해석조건을 결정하였다. 초기온도가 25℃인 상온의 질소가스가 50l/min 의 유량으로 냉각유로의 입구부에 투입되며, 냉각유로의 표면 초기온도는 열간 압출 시, 금형의 초기가열온도인 480℃로 설정하였다.
- 금형 냉각실험은 먼저 금형을 가열로에서 4 시간 동안 480℃까지 가열한 뒤, 단열케이스 내부에 삽입하였다. 초기온도 25℃인 질소가스를 50L/min의 유량으로 금형 내부의 냉각유로에 유동시켜 매 1 초의 간격으로 시간변화에 따라 금형의 냉각 온도를 측정하였다. 온도 측정장비는 Tokyo sokki kenkyujo 사의 TDS-602 을 사용하였으며, 상부금형에 설치된 카트리지 히터에 의한 열원과 질소가스에 의한 금형 냉각온도가 평형이 이루어진 정상상태(Steady state)까지 실시간으로 측정하였다.
대상 데이터
- 1 은 열간 압출 가공된 압출재를 기계 가공한 최종 제품 형상과 하드디스크 내부에서 HDA 가 조립되는 위치를 나타낸다. HDA 의 재질은 중강도를 가지면서 내식성이 우수한 6000(Al-Mg-Si)계 알루미늄 합금 가운데 가장 일반적인 Al6061 이며, 주요 화학적 성분은 Table 1 과 같다.
- CFD 해석결과의 신뢰성을 검증하기 위해 CFD 해석과 동일한 조건으로 금형 냉각실험을 수행하였다. 냉각실험에 사용된 금형의 크기와 재질은 열간 압출 시, 현장에서 적용되는 압출금형과 동일하며 냉각유로의 형상, 크기 및 평균 표면거칠기도 동일하게 제작하였다.실제 열간 압출 시, 압출금형의 하우징 역할을 하는 단열케이스를 제작하여 금형에 단열조건을 부여하였다.
데이터처리
- 초기온도가 25℃인 상온의 질소가스가 50l/min 의 유량으로 냉각유로의 입구부에 투입되며, 냉각유로의 표면 초기온도는 열간 압출 시, 금형의 초기가열온도인 480℃로 설정하였다. 그 밖의 해석조건을 Table 2 에 나타내었으며, CFD 해석은 ANSYS-CFX 10.0 을 사용하였다.
이론/모형
- 열간 압출공정에서 질소가스를 이용하여 압출금형을 냉각시키기 위한 냉각시스템을 설계 및 제작 하였다. 먼저 본 연구에서 적용한 압출금형은 4 홀로 구성된 포트홀(Porthole) 방식이며, 금형의 재질은 열간 금형강인 STD 61 을 사용하였다. 포트홀 금형은 압출재의 중공형상을 이루어지게 하는 맨드렐(Mandrel)과 소재가 처음 4 곳의 홀로 분할되었다가 유동하여 다시 접합되는 접합실(Welding chamber) 및 접합된 소재가 최종 압출재의 형상으로 성형되는 베어링(Bearing) 부로 구성되어 있다.
성능/효과
- (1) CFD 해석과 연계한 열간 압출성형해석을 통하여 압출재 온도를 예측하였고, 열간 압출실험과 비교하여 해석 결과의 신뢰성과 해석기법의 타당성을 확인하였다.
- (2) 열간 압출실험을 수행하여 압출재의 미세조직을 관찰한 결과, 압출속도가 증가함에 따라 소재와 베어링부의 마찰발열로 인한 온도상승으로 결정립의 조대화가 발생함을 알 수 있었다. (3) Al6061 열간 압출성형 시, 질소가스를 이용한 금형 냉각시스템을 적용하여 압출재의 외부표면온도를 13~26℃정도 냉각함으로써 결정립 성장을 제어하여 미세화할 수 있었다.
- (2) 열간 압출실험을 수행하여 압출재의 미세조직을 관찰한 결과, 압출속도가 증가함에 따라 소재와 베어링부의 마찰발열로 인한 온도상승으로 결정립의 조대화가 발생함을 알 수 있었다. (3) Al6061 열간 압출성형 시, 질소가스를 이용한 금형 냉각시스템을 적용하여 압출재의 외부표면온도를 13~26℃정도 냉각함으로써 결정립 성장을 제어하여 미세화할 수 있었다.
- (4) Al6061 의 결정립 성장 제어를 위해 압출재 외부표면온도를 530℃ 이하로 관리 및 유지하는 것이 중요하며, 제품의 요구조건 및 생산성을 고려한 최대 압출속도는 2.2mm/s 로 결정할 수 있었다.
- 금형 냉각시스템의 적용 유·무와 무관하게 압출속도가 증가할수록 압출재 외부표면온도는 증가하였다. 그리고 금형 냉각시스템을 적용하지 않은 경우, 압출속도가 2.2 와 2.6 mm/s 에서 최대 온도가 538℃이었으며, 압출속도가 1.8 mm/s 에서는 최대 온도가 513℃임을 확인할 수 있었다. 그리고 금형 냉각시스템을 적용한 경우, 압출속도 2.
- 열간 압출실험과 성형해석 모두 압출속도 증가할수록 압출재 온도가 증가하는 동일한 경향을 나타내었다. 그리고 실험과 성형해석의 온도비교 결과, 모든 압출속도 조건에서 압출재 온도가 성형해석 보다 실험이 더 높게 나왔다. 이는 열간 압출실험 시, 연속적인 열간 압출로 인한 포트홀 금형 내 누적된 열에너지가 성형해석에서는 고려하지 못했기 때문이라 판단된다.
- 금형 냉각시스템의 적용 유·무와 무관하게 압출속도가 증가할수록 압출재 외부표면온도는 증가하였다.
- 그리고 냉각유로 내의 질소가스는 입구부(Inlet)를 시작으로 화살표 방향으로 유동한 뒤, 총 4 곳의 출구부(Outlet)로 배출 되게 설계하였다. 냉각유로의 가공 시, 냉각유로의 표면거칠기 정도에 따라 질소가스의 유동에 많은 영향을 미칠 것이라 판단하여, 정삭 가공으로 평균 표면거칠기(Ra)를 25 ㎛로 가공하였다. 또한 접합실의 크기를 고려하여 냉각유로의 치수는 가로 120mm, 세로 80mm 으로 하였으며, 냉각유로의 단면은 가공 시 가장 용이한 형상인 8mm×2mm 의 직사각형으로 설계하였다.
- 69%로서 매우 근사한 값을 가졌다. 따라서 Al6061의 열간 압출공정에서 질소가스를 이용한 금형 냉각 효과를 파악하기 위해 CFD 해석과 연계한 열간 압출성형해석의 결과가 타당함을 확인할 수 있었다.
- 또한 요구조건을 만족한 경우에는, 압출재의 최대온도가 530℃ 이하임을 알 수 있었으며, 이에 따라 본 연구에서 고려한 소재 Al6061 의 열간 압출 시, 결정립 조대화를 억제하기 위한 압출재의 온도는 530℃ 이하로 유지하는 것이 중요하다고 할 수 있다. 또한 요구조건을 만족하는 양질의 압출재를 생산하기 위한 조건 하에 금형 냉각시스템의 적용을 통해서 압출속도를 증가시킬 수 있으며, 생산성을 고려한 최대 압출속도는 2.2mm/s 임을 알 수 있었다.
- 이는 열간 압출실험 시, 연속적인 열간 압출로 인한 포트홀 금형 내 누적된 열에너지가 성형해석에서는 고려하지 못했기 때문이라 판단된다. 또한 최대 오차율은 금형 냉각시스템을 적용하지 않은 경우의 압출속도 1.8mm/s 에서 4.69%로서 매우 근사한 값을 가졌다. 따라서 Al6061의 열간 압출공정에서 질소가스를 이용한 금형 냉각 효과를 파악하기 위해 CFD 해석과 연계한 열간 압출성형해석의 결과가 타당함을 확인할 수 있었다.
- 9에 나타내었다. 열간 압출실험과 성형해석 모두 압출속도 증가할수록 압출재 온도가 증가하는 동일한 경향을 나타내었다. 그리고 실험과 성형해석의 온도비교 결과, 모든 압출속도 조건에서 압출재 온도가 성형해석 보다 실험이 더 높게 나왔다.
- 8mm/s 에서는 대부분이 500℃의 온도분포 가졌다. 이에 따라 열간 압출성형해석 통하여 동일한 압출속도 조건에서 압출재 표면온도를 비교한 결과, 질소가스를 이용한 금형 냉각시스템을 적용함으로써 압출재의 표면온도를 13~26℃정도 냉각할 수 있음을 알 수 있었다.
- 10 에 기계 가공하는 영역인 결정립 성장 허용선을 점선으로 표시하였다. 이에 따라 표시한 결정립 성장 허용선을 통해 금형 냉각시스템을 적용하지 않은 경우는 모든 압출속도 조건에서 만족하지 못함을 확인할 수 있으며, 금형 냉각시스템을 적용한 경우는 압출속도 2.6mm/s 를 제외하고 1.8 와 2.2 mm/s 에서는 요구조건을 만족함을 확인할 수 있다. 또한 요구조건을 만족한 경우에는, 압출재의 최대온도가 530℃ 이하임을 알 수 있었으며, 이에 따라 본 연구에서 고려한 소재 Al6061 의 열간 압출 시, 결정립 조대화를 억제하기 위한 압출재의 온도는 530℃ 이하로 유지하는 것이 중요하다고 할 수 있다.
- 4 에 나타내었다. 질소가스의 속도분포는 최대 71.9 m/s, 최저 0.01 m/s 이였으며, 특히 입구부의 반대편 영역은 질소가스의 유동이 거의 없는 것을 확인할 수 있었다. 이는 냉각유로 내에서 유동하는 질소가스의 압력과 외부 대기압과의 압력 차로 인해 질소가스가 출구부로 배출되는데, 이런 출구부의 부적절한 위치 문제로 인해 발생된 현상이라 판단된다.
- 또한 냉각유로의 온도 분포는 질소가스의 유동특성과 매우 밀접한 관계가 있었다. 질소가스의 유속이 빠른 입구부는 상대적으로 낮은 온도분포를 가졌으며, 유동이 거의 없는 영역은 초기 금형온도인 480℃로 유지하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 그 이유는 열전대 삽입을 위한 슈퍼드릴 가공 시, 가공상의 문제로 인한 냉각유로의 벽면과 측정지점 사이의 2mm 차이로 인해서 오차가 발생되었다고 판단된다. 하지만 냉각유로 내 온도가 CFD 해석 결과와 금형 냉각실험이 유사하였으며, 이에 따라 CFD 해석의 검증 및 신뢰성을 확보할 수 있었다. 또한 냉각유로 내 불균일한 온도분포는 열간 압출 시, 압출재의 온도분포에도 영향을 미칠 것으로 예상되기 때문에 냉각유로의 최적설계를 통해 온도 차의 최소화가 필요하다고 판단된다.
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