[논문]유성압연기를 사용한 동관 압연공정의 유한요소해석

이정길; 한기범; 김관우; 최종웅; 김재훈; 조해용

doi:10.5916/jkosme.2010.34.2.303

유성압연기를 사용한 동관 압연공정의 유한요소해석
FEA of Copper Tube Rolling Process Using the Planetary Rolling Mill 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.34 no.2, 2010년, pp.303 - 309

이정길 (한국기술교육대학교 기계정보공학부) , 한기범 (충북대학교 기계공학과) , 김관우 (충북대학교 기계공학과) , 최종웅 (LS산전(주)) , 김재훈 (LS산전(주)) , 조해용 (충북대학교 기계공학부)

초록
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유한요소법을 통하여 유성압연기(planetary rolling mill)에 의한 동관 압연공정을 연구하였다. 이 압연은 3개의 롤에 의해 만네스만 공법으로 동관을 성형하는 공정이고, 냉간가공으로 시작하여 열간가공으로 종료되며, 기존의 압출방식에 비해 공정의 단축과 원가 절감의 장점을 갖고 있다. 압연공정은 다양하고 복합적인 공정변수 들을 포함하고 있고, 각각의 변수들은 성형결과에 영향을 미친다. 그러므로 동관압연의 모든 공정변수가 고려되어져야 한다. 동관 압연공정은 성공적으로 시뮬레이션 되었고 최적의 압연조건을 결정하는데 유용할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Copper tube rolling process using the planetary rolling mill has been studied by using finite element method. This rolling is process that makes copper tube by three-roll with mannesmann method. Also, rolling process has started from the cold working and finished to the hot working. This rolling process has more advantage that make reduction of process and cost than existing extrusion. This process includes various and complex process parameters. Each of the process parameters affects forming result. Therefore, all of the process parameters should be considered in copper tube rolling. Rolling process for copper tube was successfully simulated and it should be useful to determine optimal rolling condition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 강소성 유한요소해석 프로그램인 DEFORM-3D를 이용하여 3개 원추형 롤이 적용된 유성압연기에 의한 동관압연을 가상시뮬레이션 하였다. 그리고 유성압연기의 기구학적 분석과 함께 다양한 공정변수에 따른 동관성형 결과를 예측, 비교분석하여 공정변수들이 성형성에 미치는 영향 파악과 그 상호관계를 규명하고자 하였다.
본 연구는 유성압연기에 의한 동관 압연공정을 유한요소해석 하였다. 시뮬레이션을 통한 해석과 가공변수에 따른 시뮬레이션 결과를 비교, 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

실제 압연과정 중 롤과 소재와의 마찰상수는 접촉위치에 따라 다르며 그 값의 측정은 매우 어렵다. 따라서 3개 롤을 이용한 유성압연기의 특성을 고려하여 전 마찰영역에 대해서 일반적인 마찰상수 0.7을 가정하고 이를 해석에 적용시켰다.

제안 방법

롤의 비틀림각 변화에 따른 소재의 성형 결과를 파악하기 위해 롤의 비틀림각을 8°~14°까지 변화시켜 해석하였다. 그리고 롤의 공전속도 변화에 따른 성형 결과와 공전이 소재의 성형에 미치는 영향을 파악하기 위해 롤의 공전속도를 230~380 rpm까지 변화시켜 해석하였다. 또한 롤의 자전속도 변화에 따른 소재의 성형 결과를 파악하기 위해 롤의 자전속도를 60~160 rpm까지 변화하여 해석하였다.
또한 롤의 자전속도 변화에 따른 소재의 성형 결과를 파악하기 위해 롤의 자전속도를 60~160 rpm까지 변화하여 해석하였다. 그리고 이 변화조건에 따른 결과들을 4000스텝에서 비교, 분석하였다.
동관의 성형 중 롤의 편심 영향을 예측, 분석하였다. Figure 4에 나타낸 것과 같이 롤은 롤의 편심으로 인해 떨림이 발생할 수 있음을 알 수 있다.
따라서 본 연구는 강소성 유한요소해석 프로그램인 DEFORM-3D를 이용하여 3개 원추형 롤이 적용된 유성압연기에 의한 동관압연을 가상시뮬레이션 하였다. 그리고 유성압연기의 기구학적 분석과 함께 다양한 공정변수에 따른 동관성형 결과를 예측, 비교분석하여 공정변수들이 성형성에 미치는 영향 파악과 그 상호관계를 규명하고자 하였다.
그리고 롤의 공전속도 변화에 따른 성형 결과와 공전이 소재의 성형에 미치는 영향을 파악하기 위해 롤의 공전속도를 230~380 rpm까지 변화시켜 해석하였다. 또한 롤의 자전속도 변화에 따른 소재의 성형 결과를 파악하기 위해 롤의 자전속도를 60~160 rpm까지 변화하여 해석하였다. 그리고 이 변화조건에 따른 결과들을 4000스텝에서 비교, 분석하였다.
롤의 공전이 성형에 미치는 영향을 파악하기위해 롤의 공전속도 변화에 따른 해석을 하였다. Figure 6은 롤의 비틀림각, 자전속도, 마찰상수를 고정하고 롤의 공전속도만을 변화하여 해석한 결과를 비교, 분석한 것을 나타낸 것이다.
롤의 비틀림각 변화에 따른 소재의 성형 결과를 파악하기 위해 롤의 비틀림각을 8°~14°까지 변화시켜 해석하였다.
실제장비에서 변경이 불가능한 롤의 기울임각과 왜건의 속도는 각각 40°, 20 mm/s로 고정하여 해석하였다.
유성압연기의 롤, 맨드렐, 왜건과 초기소재를 3차원 설계 프로그램인 Pro-Engineer를 활용하여 모델링 하였고, 강소성 유한요소해석 프로그램인 DEFORM-3D를 이용하여 압연공정을 시뮬레이션 하였다. 이때 소재는 강소성체이고 롤, 맨드렐, 왜건은 강체로 고려하였다.
또한 해석프로그램의 자동요소분할 기능을 사용하여 총 85725개의 사면체요소로 분할하였다. 총 요소 수는 해석 결과 및 시간에 큰 영향을 줌으로 적절한 개수의 적용이 필요하고, 롤의 그루브와 소재와의 원활한 접촉을 위해 적합한 값을 해석결과의 비교분석을 통해 결정하였다. Figure 1(c)의 맨드렐은 성형중 소재의 중공을 유지시켜주며 Figure 1(d)의 왜건은 성형 중 소재가 롤에 물리도록 후면부에서 밀어주는 역할을 한다.

대상 데이터

Figure 1(b)는 가공소재의 해석 모델을 나타낸 것으로 해석시간 단축을 위해 모델 길이를 축소시켰고 롤 안으로의 빠른 유입을 위해 전면부에 테이퍼를 주었다. 또한 해석프로그램의 자동요소분할 기능을 사용하여 총 85725개의 사면체요소로 분할하였다. 총 요소 수는 해석 결과 및 시간에 큰 영향을 줌으로 적절한 개수의 적용이 필요하고, 롤의 그루브와 소재와의 원활한 접촉을 위해 적합한 값을 해석결과의 비교분석을 통해 결정하였다.
소재의 물성은 실제와 동일한 터프피치동에 대한 DEFORM-3D의 내부 물성데이터를 이용하였다.

성능/효과

(1) 3개의 롤에 의한 동관 압연성형에서 소재의 가공은 롤의 자전에 의해 이루어지며 공전은 성형 후 소재의 회전을 방지하기 위한 것임을 해석을 통하여 규명 하였다.
(2) 성형 중 롤의 작은 편축 정도가 롤의 회전 시 떨림을 발생하며 이것은 소재의 성형불량과 직결됨으로써 유성압연기에 의한 동관 성형에서는 롤의 형상과 편심에 대한 엄격한 관리가 필요할 것이다.
(3) 롤의 비틀림각이 증가할수록 성형성개선, 성형속도증가, 응력감소, 온도증가가 예상되며 8°이하의 비틀림각에서는 성형이 이루어지지 않으므로 그 이상의 각도에서 공정이 이루어져야 한다.
(4) 롤의 자전속도가 증가할수록 성형성개선, 성형속도증가, 응력감소, 온도증가가 예상되지만 자전속도가 60 rpm일 경우 소재의 롤마크가 불규칙하며, 160 rpm 이후부터 성형속도가 수렴하므로 이 범위 밖의 값에서는 성형성, 생산성 측면에서 그 영향도가 작다.
7 rpm으로 회전하였다. 또한 소재의 온도, 응력, 변형률은 롤의 공전속도 변화와는 무관하게 거의 일치함을 알 수 있었다.
Table 1은 롤의 비틀림각 변화에 따른 소재의 성형 차이를 비교하여 결과값을 나타낸 것이다. 롤의 비틀림각이 커질수록 소재의 성형속도, 온도, 상당 변형률은 증가하고 상당 응력은 감소하였다. 따라서 롤의 적정 비틀림각은 14°가 조건 중 가장 적합할 것으로 생각된다.
Table 3은 실험과 시뮬레이션의 완전성형 단계인 4번 단면에서 시뮬레이션과 실험 결과를 비교하여 나타낸 것이다. 소재의 성형 속도, 롤 마크의 간격, 직경, 두께의 결과 값들은 모두 잘 일치함을 볼 수 있다.
Table 2는 롤의 자전속도 변화에 따른 소재의 성형 차이를 비교하여 결과 값을 나타낸 것이다. 소재의 온도, 상당 변형률은 롤의 자전속도가 커질수록 증가하였고 상당 응력은 감소하였다. 또한, 소재의 성형속도는 롤의 자전속도에 비례하여 증가하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	동의 특징은?	동은 알루미늄, 아연, 납과 함께 4대 비철 금속으로서 철강재와 더불어 가장 널리 쓰이는 공업용 재료이며, 높은 열․전기전도성과 내식성, 내구성, 가공성 등이 뛰어난 재료이다. 특히 동 제품 중 동관은 냉동 공조기기, 열기기, 통신케이블, 급수, 급탕, 주택냉난방 등 생활과 밀접한 배관용 파이프로 널리 사용되어 수요가 증가되고 있다.
	만네스만(Mannesmann) 공법의 압연 과정은?	유성압연기에 의한 동관 압연공정은 3개의 원추형 롤이 각각 120° 각도로 위치하고 이 원추형 롤 사이에 수평연속주조기에 의해 제조된 동관이 투입되어 모관을 제조하는 만네스만(Mannesmann) 공법의 압연을 말한다. 이 압연공정에서는 예열되지 않은 냉간상태로 동재료를 투입하여, 압연 중단면감소율이 90 % 이상에 이르고 600~700 ℃의 높은 가공열로 가공이 진행된다. 그 공정에서 모관의 조직은 보다 균일화되고 재결정되며 이후 별도의 열처리과정 없이 동관이 제조된다.
	동관의 제조방법은 어떻게 구별되는가?	동관의 제조방법은 기존의 압출 방식과 신공법인 유성압연기에 의한 압연방식으로 크게 구별된다. 유성압연기에 의한 압연방식은 기존의 압출방식에 비해 제조공정의 단축과 제조원가의 절감이라는 장점을 갖고 있어 동관 제조업계에서 크게 주목받고 있다.

참고문헌 (9)

C. K. Shih, C. Hung and R. Q. Hsu, "The finite element analysis on planetary rolling process", Journal of Materials Processing Technology, vol. 113, pp. 115-123, 2001.

상세보기
R. J. Montecinos and E. S. Arauco, "An investigation into rolling process of copper tubes", Journal of Material Processing Technology, vol. 95, pp. 139-144, 1999.

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S. J. Wu, Y. M. Hwang and M. H. Chang, "A three-dimensional finite element analysis of the three-roll planetary mill", Journal of Materials Processing Technology, vol. 123, pp. 336-345, 2002.

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B. Li, S. H. Zhang, G. L. Zhang and H. Q. Zhang, "Prediction of 3-D temperature field of TP2 copper tubes in three-roll planetary rolling process", Journal of Materials Processing Technology, vol. 205, pp. 370-375, 2008.

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K. Aoyagi and K. Ohta, "Material deformation, rolling load and torque in three-roll planetary mill", J. Jpn. Soc. Technol. Plasticity, vol. 24, pp. 1039-1047, 1983.
W. J. Ammerling and H. Brauer, "Application of 3-roll technology for rolling specialty rod and bar products", Iron Steel Eng. vol. 65, pp. 22-27, 1988.

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W. J. Ammerling, "The knocks 3-roll technology for high precision specialty rod and bar products", Metal. Plant Techno., vol. 6, pp. 14-19, 1989.
T. Nishio, T. Noma, S. Karashige, H. Hino, T. Tsuta and K. Kadota, "Development of three-roll planetary mill(PSW)", Kawasaki Steel Tech. Rep., vol. 84, pp. 81-90, 1995
K. Komori, "Simulation of deformation and temperature in multi-pass three-roll rolling", J. Mater. Process. Techno., vol. 92, pp. 450-457, 1999.

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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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