[논문]유성압연기를 사용한 스테인리스 강관 압연공정의 유한요소해석

이정길; 김관우; 조해용

doi:10.5916/jkosme.2011.35.2.244

유성압연기를 사용한 스테인리스 강관 압연공정의 유한요소해석
FEA of Pipe Rolling Process Using Planetary Rolling Mill for Stainless Steel 원문보기

한국마린엔지니어링학회지 = Journal of the Korean Society of Marine Engineering, v.35 no.2, 2011년, pp.244 - 251

이정길 (한국기술교육대학교 기계정보공학부) , 김관우 (충북대학교 기계공학부) , 조해용 (충북대학교 기계공학부)

초록
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유한요소법을 통하여 유성압연기에 의한 스테인리스 강관 압연공정을 연구하였다. 3개의 롤에 의한 만네스만 공법을 압연공정에 적용하였다. 보통 유성압연은 냉간가공으로 시작하여 열간가공으로 종료되며, 기존의 압출공정에 비해 공정단축과 생산비절감의 장점을 갖고 있다. 압연공정은 다양하고 복합적인 공정변수를 가지고 있으며, 각각의 변수들은 성형결과에 영향을 미친다. 따라서 유성압연의 다양한 공정변수가 해석에 고려되어야 한다. 본 연구에서는 스테인리스 강관성형의 가능성과 생산성을 검토하였고, 소재예열 및 자전속도, 제품두께 변화를 해석에 반영하였다. 스테인리스 강관 압연공정은 성공적으로 시뮬레이션 되었고 최적의 압연조건을 결정하는데 유용할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Pipe rolling process using the planetary rolling mill for AISI 304 stainless steel has been studied by using finite element method. Mannesmann method using three-roll is applied to this rolling process. Commonly, 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 process. 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 FEA. In this study, possibility and productivity of forming pipe for AISI 304 stainless steel had been investigated. Also, preheating process and variations of rotation velocity and product thickness were considered in FEA. Rolling process for AISI 304 stainless steel pipe was successfully simulated and it should be useful to determine optimal rolling condition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 동관 유성압연의 선행연구[6]를 토대로 해석적 방법을 통해 AISI 304 스테인리스 강관제조에 대한 유성압연공정 적용 가능성및 생산성 검토를 하였고, 공정변수들이 성형성에 미치는 영향 파악과 상호관계를 규명하고자 하였다.

가설 설정

가공 전 빌렛의 단면 크기는 외경 100mm, 내경 50mm이고, 맨드릴 직경은 40mm로 가정하였다. 빌렛의 물성은 AISI 304 스테인리스 강에 대한 DEFORM-3D의 내부 물성데이터를 이용하였고, Table 2는 해석에 적용된 시뮬레이션제어의 환경 조건을 정리한 것이다.
따라서 빌렛과 3개 롤 사이의 마찰계수를 0.4∼1.0의 상수로 가정하고 해석적 검토를 통해 그 적정 값을 찾고자 했다.

제안 방법

강소성 유한요소해석 프로그램인 DEFORM-3D를 이용하여 3개 원추형 롤이 적용된 유성압연기에 의한 스테인리스 강관 압연공정을 시뮬레이션 하였다.
0의 상수로 가정하고 해석적 검토를 통해 그 적정 값을 찾고자 했다. 또한 왜건 속도, 성형관 두께, 소재예열 여부 등의 공정변수에 대한 성형성, 생산성 등의 해석결과를 비교분석 하였다.
유성압연에 의한 AISI 304 스테인리스 강관의 성형에 대하여 강소성 유한요소해석을 하였고 그 결과들을 비교분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
또한, Figure 7(a)∼Figure 7(d)에서의 성형성을 극대화 하기위해서는 성형 중 롤과 빌렛의 접촉면적을 최대한 확보하여 마찰력을 증대 시키는 것이 중요함으로 실제 공정설계 시 롤의 적정 기울기 설정이 반드시 필요할 것이다. 해석과정에서는 롤의 기울임에 대한 빌렛과의 접촉면적을 분석하여 각각의 두께에 적합한 각도를 설정하였다.

대상 데이터

가공 전 빌렛의 단면 크기는 외경 100mm, 내경 50mm이고, 맨드릴 직경은 40mm로 가정하였다. 빌렛의 물성은 AISI 304 스테인리스 강에 대한 DEFORM-3D의 내부 물성데이터를 이용하였고, Table 2는 해석에 적용된 시뮬레이션제어의 환경 조건을 정리한 것이다.

성능/효과

(1) 유성압연은 마찰에 의한 발생 열로 인해 조직이 연화되고 변형저항이 감소되어 조직 내 열적 활성기구들의 속도가 빨라지면서 성형온도의 상승과 반복하중에 의한 결정립계의 슬립이 활성화되어 재결정이 진행되는 변형기구를 가지고 있음을 해석적으로 규명할 수 있었다.
(2) 소재예열을 통해 두께 약 7.5mm까지 81%이상의 단면감소율로 AISI 304 스테인리스 강관의 압연가공이 가능함을 해석적으로 검토할 할 수 있었고 유성압연을 통한 AISI 304 스테인리스 강관의 제조에는 유도가열장치를 통한 예열공정이 필요하다.
(3) 스테인리스 강과 같이 변형속도민감도지수가 높은 재료의 압연 시에는 유도가열장치에 의해 초기성형온도를 높임으로서 성형성을 크게 향상시킬 수 있고 AISI 304 스테인리스 강의 경우 적정예열온도는 약 850℃일 것이다.
(4) 외경 100mm, 두께 25mm인 초기 소재를 두께 약 7.5mm까지 81% 이상 단면감소율로의 유성압연은 마찰계수 0.9, 롤의 자전속도 130rpm, 기울임각 73.3∼94.3°, 비틀림각 7.5°, 왜건속도 8mm/s, 예열온도 850℃의 조건으로 가능할 것이다.
③단계를 기준으로 성형하중은 최대가 되고 주기적인 반복하중에 의해 재결정이 발생된다. 결정립계의 슬립이 확산되면서 전 영역의 변형률이 급격히 상승되며, 압연하중은 감소하여 안정적으로 수렴하는 것을 확인할 수 있다. ④단계는 균질의 열간가공이 진행되는 단계로서 상당응력, 성형온도 및 압연하중이 정상상태에 도달함을 볼 수 있다.
성형해석의 초기단계에서 왜건은 빌렛과‘붙었다-떨어졌다’를 반복하는 접촉상태에 있지만 성형하중이 점차 증가하여 정상상태가 되면 일정압력으로의 접촉을 유지하는 거동특성을 갖는다는 것을 알 수 있었다.
⑤는 집중변형구간을 지나서 성형이 완료 되는 단계로서 중심부 맨드릴의 원주경계와 무계목관의 내경 윤곽이 일치함을 확인 할 수 있다. 이상으로부터 유성압연은 마찰에 의한 발생 열로 인해 조직이 연화되고, 변형저항이 감소되어, 조직 내 열적활성기구들의 속도가 빨라지면서 성형온도의 상승과 반복하중에 의한 결정립계의 슬립이 활성화되어 재결정이 진행되는 변형기구를 가지고 있음을 해석적으로 규명할 수 있었다.

후속연구

5mm인 경우 보다도 향상되었음을 볼 수 있다. 소재예열을 통해 두께 약 7.5mm까지 81%의 단면감소율로 압연가공이 가능할 것이고, 유성압연을 통한 AISI 304 스테인리스 강관의 제조에는 유도가열장치를 통한 예열공정이 추가적으로 고려되어야 할 것으로 생각된다. 빌렛의 연속된 유입과정에 포함되는 예열공정은 생산속도에는 영향을 미치지 않기 때문에 스테인리스 강관제조의 압출공정을 유성압연공정으로 대체 시 성형성 및 생산성 향상 통한 제조원가 절감의 효과가 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무계목관의 장점은 무엇인가?	다양한 재질의 무계목관은 접합관에 비해 고압, 고온, 저온 등의 사용 환경에 보다 적합한 고품질, 고부가가치 자재로서 널리 이용되고 있다. 그 중내식성이 우수한 스테인리스 강관은 배관 및 구조용 등으로 활용범위가 매우 넓다.
	무계목관의 제조는 어떻게 이루어지는가?	일반적인 무계목관의 제조는 연속주조에 의한 빌렛가공, 빌렛절단, 압출, 다단 인발, 치수절단 등의 공정 순으로 이루어진다. 중간 성형체 가공을 위한 기존의 압출공정은 소재예열 시간소요, 압출기 크기에 따른 성형품 길이제한 및 설비 공간확보 등의 문제점을 가지고 있다.
	본 연구에서 유성압연에 의한 AISI 304 스테인리스 강관의 성형에 대하여 강소성 유한요소해석을 수행한 결과 및 결론은?	(1) 유성압연은 마찰에 의한 발생 열로 인해 조직이 연화되고 변형저항이 감소되어 조직 내 열적 활성기구들의 속도가 빨라지면서 성형온도의 상승과 반복하중에 의한 결정립계의 슬립이 활성화되어 재결정이 진행되는 변형기구를 가지고 있음을 해석적으로 규명할 수 있었다. (2) 소재예열을 통해 두께 약 7.5mm까지 81%이상의 단면감소율로 AISI 304 스테인리스 강관의 압연가공이 가능함을 해석적으로 검토할 할 수 있었고 유성압연을 통한 AISI 304 스테인리스 강관의 제조에는 유도가열장치를 통한 예열공정이 필요하다. (3) 스테인리스 강과 같이 변형속도민감도지수가 높은 재료의 압연 시에는 유도가열장치에 의해 초기성형온도를 높임으로서 성형성을 크게 향상시킬 수 있고 AISI 304 스테인리스 강의 경우 적정예열온도는 약 850℃일 것이다. (4) 외경 100mm, 두께 25mm인 초기 소재를 두께 약 7.5mm까지 81% 이상 단면감소율로의 유성압연은 마찰계수 0.9, 롤의 자전속도 130rpm, 기울임각 73.3∼94.3°, 비틀림각 7.5°, 왜건속도 8mm/s, 예열온도 850℃의 조건으로 가능할 것이다.

참고문헌 (8)

？柳幸四？, 水沼晋, 太田？照, 中島浩衛, "3 ロ？ル·プラネタリ？ミルの？延特性", ？と鋼 '80-S949, vol. 66, no. 11, pp. 348, 1980.
Y. M. Hwang, H. H. Hsu and G. Y. Tzou, "A Study of PSW rolling process using stream functions", Journal of Materials Processing Technology, vol. 80-81, pp. 341-344, 1998.

상세보기
S. H. Zhang, B. Li, 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.

상세보기
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, no. 3, pp. 336-345, 2002.

상세보기
C. Hung and C. K. Shih, "Experimental and numerical analyses on three-roll planetary rolling process", Journal of Materials Processing Technology, vol. 142, no. 3, pp. 702-709, 2003.

상세보기
J. K. Lee, K. B. Han, K. W. Kim, J. W. Cho, J. H. Kim and H. Y. Cho, "FEA of copper tube rolling process using the planetary rolling mill", Journal of the Korean Society of Marine Engineering, vol. 34, no. 2, pp. 303-309, 2010.

원문보기 상세보기
DEFORM 3D Version 6.1 User's Manual, Scientific Forming Technologies Corporation, 2007.
William F. Hosford, "Metal Forming: Mechanics and Metallurgy", Prentice-Hall Inc., 1983.

저자의 다른 논문 :

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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