표면의 균열, 겹침결함, 금형의 코너반경이 작아 재료의 유동성이 낮을 때 발생하는 콜드셧, 부분충진등의 단조결함이 없는 자동차용 단조 플랜지를 생산하기 위해서 열전달, 단류선 흐름, 응력분포를 고려하여 형단조 공정과 금형에 대한 해석을 수행하였다. 축박기(up-set) 단조, 예비성형, 최종성형, 단조압력으로 구성된 단조과정은 유한요소법으로 해석되었다. 예비성형과 상하 금형의 높이비율이 단조공정과 금형에 미치는 영향을 평가하여 예비금형의 각 $10^{\circ}$와 최종 금형의 상하비율 1.5:1이 단조결함이 없는 결과를 나타내었다. 이를 반영한 새로 설계된 금형은 재료강도, 완전충진, 하중한계 13,000 KN 이라는 공정변수를 모두 만족시켰다. 이론 입증을 위해서 개선된 금형과 플랜지가 제작되었으며, 단조결함이 발견되지 않았다.
표면의 균열, 겹침결함, 금형의 코너반경이 작아 재료의 유동성이 낮을 때 발생하는 콜드셧, 부분충진등의 단조결함이 없는 자동차용 단조 플랜지를 생산하기 위해서 열전달, 단류선 흐름, 응력분포를 고려하여 형단조 공정과 금형에 대한 해석을 수행하였다. 축박기(up-set) 단조, 예비성형, 최종성형, 단조압력으로 구성된 단조과정은 유한요소법으로 해석되었다. 예비성형과 상하 금형의 높이비율이 단조공정과 금형에 미치는 영향을 평가하여 예비금형의 각 $10^{\circ}$와 최종 금형의 상하비율 1.5:1이 단조결함이 없는 결과를 나타내었다. 이를 반영한 새로 설계된 금형은 재료강도, 완전충진, 하중한계 13,000 KN 이라는 공정변수를 모두 만족시켰다. 이론 입증을 위해서 개선된 금형과 플랜지가 제작되었으며, 단조결함이 발견되지 않았다.
Hot closed-forging process and the die used for forming an automotive flange were analyzed from the viewpoints of heat transfer, grain-flow lines, and stresses to obtain a forged product without defects such as surface cracks, laps, cold shots, and partial filling. The forging process including up-s...
Hot closed-forging process and the die used for forming an automotive flange were analyzed from the viewpoints of heat transfer, grain-flow lines, and stresses to obtain a forged product without defects such as surface cracks, laps, cold shots, and partial filling. The forging process including up-set, pre-forging, final forging and pressing forces was investigated using finite element analysis. The influence of the preform die and the ratio of the heights of the upper die to lower die on the forging process and die were investigated and a die shape ($10^{\circ}$ for the preform die, and 1.5:1 ratio for the final die) suitable to achieve successful forging was determined on the basis of a parametric study. All parametric design requirements such as strength, full filling, and a load limit of 13,000 KN were satisfied for this newly developed flange die. New dies and flanges were fabricated and investigated. Defects such as partial filling and surface cracks were not observed.
Hot closed-forging process and the die used for forming an automotive flange were analyzed from the viewpoints of heat transfer, grain-flow lines, and stresses to obtain a forged product without defects such as surface cracks, laps, cold shots, and partial filling. The forging process including up-set, pre-forging, final forging and pressing forces was investigated using finite element analysis. The influence of the preform die and the ratio of the heights of the upper die to lower die on the forging process and die were investigated and a die shape ($10^{\circ}$ for the preform die, and 1.5:1 ratio for the final die) suitable to achieve successful forging was determined on the basis of a parametric study. All parametric design requirements such as strength, full filling, and a load limit of 13,000 KN were satisfied for this newly developed flange die. New dies and flanges were fabricated and investigated. Defects such as partial filling and surface cracks were not observed.
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문제 정의
플랜지 성형은 소재의 흐름이 상하보다 좌우로 많이 이동하기 때문에 소재의 미충진 문제가 생긴다. 본 논문에서는 금형에 소재를 완전히 충진시키고 금형의 응력을 낮추기 위해 예비 및 최종 금형의 상하 비율을 조절하며 DEFORM을 사용하여 열간 단조 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 Deform-2D를 사용하여 자동차용 플랜지 열간 단조공정을 소재와 금형간의 열전달을 고려한 성형 및 금형 해석을 통하여 예비성형 금형의 형상 및 최종금형의 상하 비율이 성형과 금형에 미치는 영향을 알아보았다.
본 연구에서는 예비성형금형 형상과 최종금형 펀치의 상하 비율에 따른 금속유동의 변화를 해석하여 소재의 결함을 예측하고 소재가 충진되는 조건을 찾아내었다. 플랜지의 경우 예비 상금형의 각도를 주지 않으면 완충이 일어나지 않고 버어(burr)가 발생하는데 이것을 해결하기위해 Fig.
가설 설정
단조공정에서 성형하중은 프레스의 용량에 의해서 제한되며 본 연구에서는 13,000KN으로 제한하였다. 프레스 용량이 크다면 금형의 허용 강도 내에서는 더 큰 변형을 할 수 있다.
하금형은 고정되어 있고 상금형만 아래로 내려와 성형이 된다. 대변형이 일어나는 소성해석에서는 탄성영역을 무시할 수 있고 금형이 축대칭이기 때문에 소재는 강소성 모델로 가정하고 2D 축대칭 조건을 사용하였다.
제안 방법
가장 우수한 해석결과를 보인 Case 4(상하비율 1.5:1, 예비금형각 10º)에 근거하여 Fig. 9와 같이 예비 및 최종 금형을 제작하였다.
7 W/m·K이다. 열전달해석의 경계조건은 상하금형이 열려 있을 때는 모든 표면에 대류열전달, 소재의 표면도 대류열전달 조건이고 금형 및 소재 내부는 전도열전달이며, 닫혀있을 때 내부는 전도열전달이고 금형 외부 표면만 대류열전달이 일어나도록 하였다.
플랜지의 경우 예비 상금형의 각도를 주지 않으면 완충이 일어나지 않고 버어(burr)가 발생하는데 이것을 해결하기위해 Fig.1과 Table 3에 나타나듯이 예비금형의 각도를 7º, 10º, 13º로 변경하면서 최종 금형 펀치의 상하 비율(A:B)을 1.5:1, 1.67:1, 2:1로 변경하여 9가지 경우에 대해서 성형해석을 진행하였다.
각 가열로에서 업셋팅 공정에 들어가기 전까지의 시간은 5초이며, 나머지 공정 간의 이동시간은 무시하였다. 금형과 소재간의 열전도해석에 사용된 온도에 따라 변하는 열전도 계수는 DEFORM-2D (SFTC)의 재료 라이브러리의 값이 사용되었다. 이에 따르면 금형의 재료인 SKD61은 온도에 관계없이 열전도계수가 24.
성능/효과
5:1인 경우 결함이 없으며, 성형하중 13,000KN 이하에서 항복응력 이하의 금형응력을 보이며 충진이 일어난다. 1.5:1인 경우 성형하중이 12,500KN이며 최종 금형의 최대응력이 1,310MPa로 가장 낮게 나와 미 충진 및 소재의 결육 결함이 해결되어 최적의 조건을 가진다.
67:1인 경우 유사하게 나타났으며 2:1의 비율에서는 스텝이 줄어들었다. 9가지 경우에서 예비성형, 최종성형 모두 성형하중을 만족하였으나 성형정도에 따라서 차이가 나타났다. 예비성형에서는 가장 성형이 적게 일어난 Case 7,8,9에서 작은 성형하중이 필요하였다.
예비금형의 각도가 10º일 경우 예비 및 최종 금형의 응력집중이 작게 일어나며 7º나 13º 경우보다 충진에 유리한 흐름을 가진다. 또한 예비금형의 형상이 소재 흐름에 영향을 미치는 것을 확인하였다.
이 수정된 금형을 이용하여 플랜지를 제작한 결과, 미충진이나 결육과 같은 결함이 전혀 발생되지 않았다. 또한 플랜지 절개단면을 현미경으로 검사한 결과, 탈탄층 깊이는 0.18~0.31 mm로 양호하였다.
상하 비율이 1.67:1과 1.5:1인 금형이 예비금형과 최종금형에서 더 낮은 응력을 보이며, 예비금형각도가 10º이며 최종금형의 상하 비율이 1.67:1과 1.5:1인 경우 결함이 없으며, 성형하중 13,000KN 이하에서 항복응력 이하의 금형응력을 보이며 충진이 일어난다.
때문에 예비금형의 형상과 최종금형의 상하 비율을 조절하여 예비금형과 최종금형이 받는 하중을 줄일 필요가 있다. 예비금형의 각도와 최종금형의 상하 비율을 고려한 최종금형의 응력해석 결과인 Fig. 8을 보면 예비금형각도와 최종금형의 상하비율에 관계없이 전반적인 응력분포는 1,000MPa 이하로 나타나지만 금형의 안쪽 모서리 부분에서 응력집중이 일어나는 것을 확인할 수 있다. 예비금형각 7º, 10º에서는 응력집중이 크게 차이 나지 않았지만 13º일 때는 최종 금형에 가해지는 응력 집중이 낮게 나타났다.
자동차용 플랜지의 열간 단조성형의 경우 예비금형의 형상보다 최종금형의 상하비율이 성형하 중에 큰 영향을 미치며, 예비금형의 각도와 관계없이 최종금형의 상하비율이 1.5:1인 경우 성형하중이 가장 낮게 나타났다. 예비금형의 각도가 10º일 경우 예비 및 최종 금형의 응력집중이 작게 일어나며 7º나 13º 경우보다 충진에 유리한 흐름을 가진다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
단조공정 설계기술을 체계화 하려는 연구의 예로는 무엇이 있는가?
Petrov 등(1)은 알루미늄 단조 시 유한요소해석 결과와 실험값을 비교하여 겹침결함(lap formation)의 크기와 금형형상과의 관계를 제시하였다. 단조결함을 줄이기 위해서 다단계의 예비성형을 거치지기도 하는데, Cho 등(2)은 비축대칭 와셔 캠 볼트 제작을 위해서 다단계의 예비형상을 거치게 하는 4단 냉간 단조공정을 DEFORM-3D로 해석하여 실험 결과와 비교하였다. Yeom 등(3)은 디젤엔진에 사용되는 알루미늄 접합피스톤의 크라운, 스커트부의 단조품 가공을 위한 단조기 용량, 소재의 초기형상 치수, 예비성형체의 설계 등에 관한 연구를 DEFORM-2D를 사용하여 수행하였다. Monaghan Corresponding Author, kimchul@knu.ac.kr(4)은 절삭법과 냉간 단조법을 조합하여 성형하는 공정을 위한 금형을 설계하였고, Biswas와 Rao(5)는재료의 양을 줄이기 위해서 플래시를 최소화하는 금속유동을 해석하였다. 열전달은 고려되지 않았다.
단조가공은 어떤 장점을 가지는가?
단조가공은 기계적 성질이 우수한 제품을 대량 생산 할 수 있기 때문에 커넥팅로드, 기어, 플랜지등의 생산에 주로 이용되며, 소재의 온도에 따라 열간단조, 온간단조, 냉간단조로 구분된다. 자동차용 플랜지는 열간 단조공정에 의해 제작되며, 우수한 기계적 특성을 가지기 위해서는 단류선(metal flow line), 소재, 접힘(folding) 및 표면 결함들의 예방과 개선이 요구된다.
단조가공은 주로 어디에 이용되는가?
단조가공은 기계적 성질이 우수한 제품을 대량 생산 할 수 있기 때문에 커넥팅로드, 기어, 플랜지등의 생산에 주로 이용되며, 소재의 온도에 따라 열간단조, 온간단조, 냉간단조로 구분된다. 자동차용 플랜지는 열간 단조공정에 의해 제작되며, 우수한 기계적 특성을 가지기 위해서는 단류선(metal flow line), 소재, 접힘(folding) 및 표면 결함들의 예방과 개선이 요구된다.
참고문헌 (14)
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