[논문]알루미늄 합금 볼트의 제조 공정 설계

김지환; 채수원; 한승상; 손요헌

문제 정의

본 연구에서는 자동차 부품의 경량화를 위한 A1 합금 볼트의 제조 공정을 단조부터 열처리까지의 과정에 대해 설계하였다. 유한요소 해석을 이용하여 실제 제작 전 성형성 평가를 통해 시행 착오를 줄일 수 있었다.

가설 설정

식(1)의 값은 소재의 전 영역에서 각 성형 단계가 진행됨에 따라 누적되는 에너지이며, 이때 데미지 지수가 높을수록 연성 파괴가 발생할 가능성이 높아진다. 유효 변형률(effective strain), 유효응력 (effective stress), 최대 주응력(maximum principal stress)에 의해 데미지지수가 각 소재마다 고유한 임계값 C 에 도달했을 때 재료가 연성 파괴된다고 가정한다. 본 연구에서는 A1 7075-0 의 물성을 Kang15등이 제시한 응력변형률 관계(2)로 설정하였고 임계값의 적용은 생략하였다.

제안 방법

설계 3은 코일 형태 원소재를 전체적으로 압출 한 후 절단하여 전방압출없이 예비성형체로 단조 가공한 경우이다. 3 가지 설계 모두 소재 → 예비성형체 → 최종 단조품의 과정으로 총 2 단계의 성형 과정을 실시하였으며, 육각머리 업셋팅과 플랜지 성형은 하나의 단계로 동시에 진행되었다.
본 연구에서는 470℃±10℃ 부근에서 2 시간 유지 후, .급냉하는용체화 처리를 실시하였고, 120℃ 부근에서 20 시간 전후 공냉하는 시효처리를 실시하였다.
따라서 단조 후 나사산을 만드는 전조 가공 이후의 치수정밀도는 설계 3 이 유리할 것으로 예측된다. 데미지 지수 분포의 양상으로는 두 가지 설계의 장단점이 존재하므로 최종 설계 결정을 위해 치수 정밀도 확보의 용이성을 고려하였다. 이때 설계 2 는 예비 성형체를 만드는 첫 번째 단조 과정에서 나사 부위의 압출과 머리부위의 단조가 동시에 이루어지므로, 머리 부위의 단조만 이루어 지는 설계 3에 비해 치수 정밀도 확보 측면에서 불리할 것으로 예측된다.
먼저 사용된 연성 파괴 이론에 대해 간략히 소개하고, 단조 성형공정 설계와 내부 결함 분석을 위한 유한요소 해석을 진행한다. 마지막으로 열처리를 통해 금속 내부 결정의 변화를 분석한다.
억제를 유도하는 단계로 진행되었다. 먼저 사용된 연성 파괴 이론에 대해 간략히 소개하고, 단조 성형공정 설계와 내부 결함 분석을 위한 유한요소 해석을 진행한다. 마지막으로 열처리를 통해 금속 내부 결정의 변화를 분석한다.
설계 1에서 형상 결함을 발생시킨 원인이 되었던 예비 성형체의 형상과 다르게 볼트의 플랜지 부위가 퍼져 나가기 용이하도록 설계하였다. 변경된 설계를 통해 해석한 결과 두 가지 설계 모두 성형 과정 중 형상 결함이 발생하지 않음을 확인하였고 두 가지 설계 중 실제 시험 생산에 적합한 대상을 찾는 작업을 실시하였다.
본 연구는 A1 7075 소재 볼트의 냉간 단조 성형에 있어 유한요소법을 이용하여 적절한 예비 성형체의 형상을 찾는 단계와, 연성 파괴 이론을 적용하여 최종 단조 성형 제품의 내부 결함을 예측하는 단계, 끝으로 열처리 를 통해 내부 결정립 성장 억제를 유도하는 단계로 진행되었다. 먼저 사용된 연성 파괴 이론에 대해 간략히 소개하고, 단조 성형공정 설계와 내부 결함 분석을 위한 유한요소 해석을 진행한다.
1 과 같이 전방압출, 예비성형, 육각머리 업셋팅, 플랜지 트리밍 등의 4 단계의 과정으로 이루어지는 것이 보통이다. 본 연구에서는 기존의 성형 단계를 4 단계에서 2 단계로 줄이는 설계를 시도하였다. 이를 위해 전방압출과 예비성형 단계를 통합하며, 육각머리 업셋팅과 플랜지 트리밍의 단계를 통합하여 진행되도록 하였다.
4 는 설계 2와 설계 3의 각 단계 별 성형과정의 시뮬레이션 형상을 보여준다. 설계 1에서 형상 결함을 발생시킨 원인이 되었던 예비 성형체의 형상과 다르게 볼트의 플랜지 부위가 퍼져 나가기 용이하도록 설계하였다. 변경된 설계를 통해 해석한 결과 두 가지 설계 모두 성형 과정 중 형상 결함이 발생하지 않음을 확인하였고 두 가지 설계 중 실제 시험 생산에 적합한 대상을 찾는 작업을 실시하였다.
시험 생산을 위한 설계의 선택을 위해 단면 데미지 지수의 비교를 통한 내부결함을 분석하였다. Fig.
2는 다이 하중이 가장 큰 최종 단조 단계에서, 설계 1의 이러한 형상 결함이 발생함을 보여준다. 예비성형체의 볼트 머리부분의 형상이 플랜지 부위의 성형을 위해 아래로 볼록한 형상이어야 이러한 결함이 발생하지 않을 것으로 예상되어 설계 2, 설계 3 으로 설계가 대체 되었다.
본 연구에서는 기존의 성형 단계를 4 단계에서 2 단계로 줄이는 설계를 시도하였다. 이를 위해 전방압출과 예비성형 단계를 통합하며, 육각머리 업셋팅과 플랜지 트리밍의 단계를 통합하여 진행되도록 하였다.
이를 통해 마찰 계수를 크게 하여 좌굴의 위험성 이 줄어들도록 조절하였다.10 Fig.

대상 데이터

강소성 해석은 탄소성 해석에 비해 해석 시간을 줄일 수 있는 장점이 있으며 변 형량이 큰 경우에 적합하다.3,7 재료의 요소로는 4 절점으로 이루어진 4 면체 요소를 사용하였으며 소재 기준 약 53,000 개로 구성되어 있다. 금형과 재료 간의 마찰계수는 0.
유효 변형률(effective strain), 유효응력 (effective stress), 최대 주응력(maximum principal stress)에 의해 데미지지수가 각 소재마다 고유한 임계값 C 에 도달했을 때 재료가 연성 파괴된다고 가정한다. 본 연구에서는 A1 7075-0 의 물성을 Kang15등이 제시한 응력변형률 관계(2)로 설정하였고 임계값의 적용은 생략하였다.
시뮬레이션을 위한 성형 조건으로 재료는 강소성(rigid plastic) 으로, 금형을 강체(rigid)로 설정하였다. 강소성 해석은 탄소성 해석에 비해 해석 시간을 줄일 수 있는 장점이 있으며 변 형량이 큰 경우에 적합하다.

이론/모형

를 사용하였다. 내부 결함의 분석을 위해서는 DEFORM-3D 에 내장된 Normalized Cockcroft&Latham 의 연성 파괴 기준을 이용하였다.3,4이는 다음의 식(1)로 표현되며 변형의 해석과 동시에 압출, 업셋팅 등의 다양한 하중 조건을 적용할 수 있다.
단조공정을 설계한 후 CAE 시뮬레이션을 통해 설계를 검토하는 방법을 사용하였다. 시뮬레이션을 위한 성형 조건으로 재료는 강소성(rigid plastic) 으로, 금형을 강체(rigid)로 설정하였다.
본 연구에서는 냉간 단조 시뮬레이션을 통한 소성가공 공정설계를 위해 상용 유한요소 코드인 DEFORM-3D 를 사용하였다. 내부 결함의 분석을 위해서는 DEFORM-3D 에 내장된 Normalized Cockcroft&Latham 의 연성 파괴 기준을 이용하였다.

성능/효과

이를 통해 단조 과정에서 늘어난 공극이 열처리를 통해 감소 되었음을 알 수 있다. 열처리한 시편을 인장 시험한 결과 강도 요구치인 450Mpa 이상을 만족하였다.
과정에 대해 설계하였다. 유한요소 해석을 이용하여 실제 제작 전 성형성 평가를 통해 시행 착오를 줄일 수 있었다. 이를 통해 기존 국내 제품의 경우 통상 3~4 단계의 단조 과정으로 생산되던 것에 비해 2 단계의 단조 과정만으로 성형을 완료하는 기술적 성과를 이루었다.
유한요소 해석을 이용하여 실제 제작 전 성형성 평가를 통해 시행 착오를 줄일 수 있었다. 이를 통해 기존 국내 제품의 경우 통상 3~4 단계의 단조 과정으로 생산되던 것에 비해 2 단계의 단조 과정만으로 성형을 완료하는 기술적 성과를 이루었다. 이러한 공정의 단순화를 통해 제작 비용을 절감하는 효과가 있을 것으로 예상된다.

후속연구

기존에는 주로 수입에 의존하였지만 국내에서도 체결용 부품인 A1 합금 볼트의 수요가 점차 커지면서, 최근 이에 대한 연구와 생산이 증가하는 추세이다. 그 중 우수한 강도를 갖는 A1 7000 계열 합금은 기계적 특성은 좋지만 냉간단조 시 성형성이 좋지 않아 경험적인 설계와 시행 착오를 통한 단조 성형으로는 개발에 한계가 있었다. 이에 비해 유한요소법을 이용한 시뮬레이션의 활용은 금속 제품의 생산 전 설계 단계에서 시행착오를 줄여주어 개발 시간과 비용을 절약하는 이점을 갖고 있다.
또한 열처리에 대한 노하우를 확보하여 향후 소형 A1 합금 단조 제품의 설계와 생산에 응용할 수 있을 것으로 예상된다. 끝으로 본 연구를 통해 수입의 비율이 높은 부품의 국산화로 국내 산업 경쟁력 확보에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.
이러한 공정의 단순화를 통해 제작 비용을 절감하는 효과가 있을 것으로 예상된다. 또한 열처리에 대한 노하우를 확보하여 향후 소형 A1 합금 단조 제품의 설계와 생산에 응용할 수 있을 것으로 예상된다. 끝으로 본 연구를 통해 수입의 비율이 높은 부품의 국산화로 국내 산업 경쟁력 확보에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.

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