[논문]다중경사충돌시 피닝잔류응력 평가를 위한 최적의 3차원 유한요소모델

현홍철; 김태형; 이형일

doi:10.3795/ksme-a.2012.36.2.125

다중경사충돌시 피닝잔류응력 평가를 위한 최적의 3차원 유한요소모델
A Optimal 3D FE Model for Evaluation of Peening Residual Stress Under Angled Multi-impacts 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.2, 2012년, pp.125 - 135

현홍철 (서강대학교 기계공학과) , 김태형 (한전 KPS(주) GT 정비기술센터) , 이형일 (서강대학교 기계공학과)

초록
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잔류응력 생성을 위한 대부분의 숏피닝 유한요소 해석모델은 숏볼이 재료표면에 수직으로 충돌하는 것을 가정한다. 하지만 실제 피닝공정에서 숏볼은 경사각을 갖고 재료표면에 충돌한다. 본 논문 에서는 잔류응력평가를 위한 3차원 경사충돌 유한요소 해석모델을 제안하였다. 다중경사충돌 유한요소 해석모델을 이용하여, 투사각, 충돌패턴, 숏볼수량 등 피닝인자들이 해석해에 미치는 영향을 조사하였다. 아울러 숏볼의 소성변형도 고려하였다. 유한요소해와 XRD 실험해의 비교를 통해 해석모델의 유효성을 검증했다. 본 논문에서 제안된 모델은 다양한 경사각에 대한 다중숏 충돌 유한요소 해석모델의 기초가될 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

The FE model for shot peening often assume that shots impact vertically on the engineering parts to generate compressive residual stresses. However, the shots obliquely impact on the surface in actual peening. In this work, we propose a 3D finite element (FE) model for evaluation of residual stress under angled shot peening. Using the FE model for angled multi-impact, we examine the effects of factors such as impact angle, impact pattern and the number of shots. Plastic deformation of shot is also considered. To validate the model, we then compare the FE solution with experimental result by X-ray diffraction (XRD). The proposed model will be a base of 3D multi-impact FE model with diverse impact angles.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 이배화 등⁽²⁴⁾ 이 정리한 단일경사 충돌 3 차원 유한요소 모델을 다중경사 충돌 유한요소 모델로 확장하여 실험해에 근접하는 해석방법의 타당성을 제시하고 있다. 이배화 등⁽²⁴⁾ 은 이미 경사 충돌 해석모델을 이용하여 다양하고 복잡한 피닝 인자들을 하나의 통합인자로 정리해 해석모델의 유용성을 강조하였다.
본 연구에서는 3차원 다중경사충돌 해석모델을 제안했다. 숏볼수량과 투사각에 따른 잔류응력해의 수렴을 확인하고 적정한 충돌주기를 선정했다.
본 절에서는 다양한 피닝소재들에서 해석모델의 유효성을 검증하였다. 다중경사 충돌해석 모델에 채택된 재료들은 앞서 해석에 사용된 AISI4340을포함하여, AISI4140, SPS8를 채택했다.
사실상 피닝 현상을 충분히 반영하려면 다중숏을 이용한 경사충돌 연구가 필수다. 이에 본 연구에서는 김태형과 이형일^(11,12)의 연구에서 정리된 숏피닝 해석모델의 인자들을 활용해 숏볼 수량과 투사각에 따른 잔류 응력 분포를 살펴본다. 또한 다양한 충돌패턴들과 잔류응력간 상관관계들을 분석해 실제 피닝 공정과 가장 유사한 다중경사충돌 3차원 유한요소 모델을 제안한다.
일반적으로 피닝 잔류응력은 단일충돌 (1주기)이 아닌 무수히 많은 숏볼들이 수회 반복충돌 되면서 점차 양축등가응력으로 수렴하며, 균질의 피닝잔류 응력해를 준다. 이에 본 절에서는 실제 피닝공정시 중요시되는 균질의 압축잔류응력해를 예측하고자 양축등가응력으로의 수렴성을 살펴보았다. 해석에는 앞에서 정리된 입력조건들 (α = 75°, v = 55 m/s, RI, PDS, 4cyles [1324/2413/3142/4231])을 활용했으며, 충돌패턴 들로서 Case 1과 3을 채택하였다.
이로부터 Case 1 해석 모델이 가장 유용함을 재차 확인했다. 이와 같은 이유로 양축등가응력으로의 수렴성뿐 만아니라 XRD 실험해로의 근접성을 동시에 만족시킨 다는 점에서 본 유한요소모델이 다중경사충돌 피닝 잔류응력해를 위한 제안 모델이 된다.

가설 설정

8mm, 소성숏 (PDS: plastic deformable shot)으로 선정했다. 또한 요소의 최소크기 L은 표면 및 최대 압축잔류 응력해가 일정하게 수렴하도록 0.02 mm로정했다. 그 밖에 해의 수렴을 위해 동적 마찰계수 µ = 0.

제안 방법

그리고 충돌시 응력간섭 효과를 극대화하기 위해서 숏볼 간격 S를 숏볼의 반지름 D/2로 고정 하였다. 경계조건으로서 재료의 바닥면을 완전구속 (U_x = U_y = U_z = 0) 처리했으며, 재료와 숏볼간 충돌에 대해 페널티알고리즘을 적용하고자 재료와 숏볼에 접촉요소면들 (Contact surfaces)을 배치했다. 사용된 절점 및 요소 수는 각각 약 250,000 (1cycle = 4shots) – 500,000 (4cycle), 240,000 (1cycle) – 450,000 (4cycle =16shots)개 이다.
또한 다양한 충돌패턴들과 잔류응력간 상관관계들을 분석해 실제 피닝 공정과 가장 유사한 다중경사충돌 3차원 유한요소 모델을 제안한다. 궁극적으로는 해석해와 XRD 실험해를 비교하여 해석모델의 유효성을 검증한다.
숏볼은, 해석 모델이 실제 피닝현상과 유사하도록 변형을 고려한 소성숏으로 선정했고, 투사속도 v = 55 m/s를 적용했다. 그리고 충돌시 응력간섭 효과를 극대화하기 위해서 숏볼 간격 S를 숏볼의 반지름 D/2로 고정 하였다. 경계조건으로서 재료의 바닥면을 완전구속 (U_x = U_y = U_z = 0) 처리했으며, 재료와 숏볼간 충돌에 대해 페널티알고리즘을 적용하고자 재료와 숏볼에 접촉요소면들 (Contact surfaces)을 배치했다.
이에 다중경사 충돌시 피닝효과가 특히 미약해지는 작은 투사각 (α < 45°)은 배제하고 α = 45°, 60°, 75° 및 90°(수직충돌)을 고려했다. 그리고 충돌패턴에 따른 피닝 잔류응력분포의 추이를 알아보고자 대표적인 경사 충돌패턴 4가지를 선정했다. Fig.
이에 본 연구에서는 김태형과 이형일^(11,12)의 연구에서 정리된 숏피닝 해석모델의 인자들을 활용해 숏볼 수량과 투사각에 따른 잔류 응력 분포를 살펴본다. 또한 다양한 충돌패턴들과 잔류응력간 상관관계들을 분석해 실제 피닝 공정과 가장 유사한 다중경사충돌 3차원 유한요소 모델을 제안한다. 궁극적으로는 해석해와 XRD 실험해를 비교하여 해석모델의 유효성을 검증한다.
8-11은 다양한 투사각에 따른 각 단위 면적당 잔류응력 해석해의 분포들을 보여준다. 면적 (A)들은 각각 (D/4)², (D/2)² 및 (3D/4)² mm²이며, 해석해들을 XRD 해와 비교하였다. (D/2)² 및 (3D/4) 2 mm²에서 얻은 해석해들은 서로 유사한 크기의 잔류응력 분포를 보이나, (D/4) 2 mm²에서 얻은 해석해는 이들 해석해들과 다소 차이가 있다.
주기순서대로 충돌패턴을 달리해 숏볼들을 투사시켰다. 숏볼들 충돌은 1324/2413/ 3142/4231과 같고, 충돌 후 (D/2)²mm² 영역에서 면적평균 해를 구하여 실험해와 비교하였다.
본 연구에서는 3차원 다중경사충돌 해석모델을 제안했다. 숏볼수량과 투사각에 따른 잔류응력해의 수렴을 확인하고 적정한 충돌주기를 선정했다. 여러 충돌패턴들과 숏볼간격에 따른 잔류응력해의 추이를 살펴봤다.
이배화 등⁽²⁴⁾ 은 이미 경사 충돌 해석모델을 이용하여 다양하고 복잡한 피닝 인자들을 하나의 통합인자로 정리해 해석모델의 유용성을 강조하였다. 이 통합인자를 채택해 좀더 사실적인 피닝잔류응력 해를 예측하고자 다양한 투사각과 충돌 패턴 등 민감도 해석이 수행되었다.
여러 충돌패턴들과 숏볼간격에 따른 잔류응력해의 추이를 살펴봤다. 이로써 양축등가 피닝잔류응력을 주는 최적 투사각 및 충돌패턴을 정했다. (D/2)²mm²에서의 면적평균해가 표면과 최대 압축잔류응력, 변형 깊이에서 XRD 실험해를 잘 따른다.
그러나 표면잔류응력 σ_sur는 해석해가 XRD 실험해보다 전반적으로 작은 값을 준다. 이에 다음절에서, 다주기 경사충돌 순서들에서, 각 패턴에 따라 다양한 투사각을 갖는 4주기 해석모델의 잔류응력 분포를 살펴보고 표면잔류 응력해의 추이를 살펴본다.
1은 16개의 숏볼들과 재료로 구성된 3차원 다중숏 경사충돌 해석 모델을 보여준다. 재료의 반경과 두께는 충돌 후 발생한 유효응력이 재료의 끝 단에서 충분히 0이 되도록 각각 3 mm와 1 mm로 정했다. 숏볼은, 해석 모델이 실제 피닝현상과 유사하도록 변형을 고려한 소성숏으로 선정했고, 투사속도 v = 55 m/s를 적용했다.
특히 다음절에서 실제 피닝공정에 많이 사용되는 소재들 (AISI 4340, AISI 4140, SPS 8)을 채택하여 해석모델을 구성하고 해석 후 유한요소 해를 실험해와 비교하였다. 소재들 모두에서 XRD 해로의 근접성이 우수함을 확인하였고, 이로부터 본 해석 모델이 다양한 실제 다중경사 숏피닝에도 충분히 적용이 가능하다고 본다.

대상 데이터

경사충돌 해석모델에 반영된 재료는 숏피닝 공정이 많이 행해지는 AISI4340 소재이다. 소재를 815℃에서 담금질 후, 230℃에서 2시간 동안 뜨임 처리했다.
본 절에서는 다양한 피닝소재들에서 해석모델의 유효성을 검증하였다. 다중경사 충돌해석 모델에 채택된 재료들은 앞서 해석에 사용된 AISI4340을포함하여, AISI4140, SPS8를 채택했다. AISI4140은 850°C에서 담금질 후, 450°C에서 2시간 동안 뜨임 처리하였다.
사용된 절점 및 요소 수는 각각 약 250,000 (1cycle = 4shots) – 500,000 (4cycle), 240,000 (1cycle) – 450,000 (4cycle =16shots)개 이다.
25, 밀도 ρ = 7850 kg/m³이다. 숏볼은 일반적으로 널리 사용되는 컷와이어 라운드숏 (CWRS)을 모델로 선정하였다. 숏볼의 물성치들로는 σ_o = 1470 MPa, σ_t = 1860 MPa, E = 210 GPa, ν = 0.
재료의 반경과 두께는 충돌 후 발생한 유효응력이 재료의 끝 단에서 충분히 0이 되도록 각각 3 mm와 1 mm로 정했다. 숏볼은, 해석 모델이 실제 피닝현상과 유사하도록 변형을 고려한 소성숏으로 선정했고, 투사속도 v = 55 m/s를 적용했다. 그리고 충돌시 응력간섭 효과를 극대화하기 위해서 숏볼 간격 S를 숏볼의 반지름 D/2로 고정 하였다.
숏볼의 물성치들로는 σo = 1470 MPa, σt = 1860 MPa, E = 210 GPa, ν = 0.3, ρ = 7850 kg/m3이며, 직경 D = 0.8mm, 소성숏 (PDS: plastic deformable shot)으로 선정했다.
해석모델에서 재료의 입력 물성치들은 항복강도 σo = 1510 MPa, 인장강도 σt = 1835 MPa, 탄성계수 E = 205 GPa, 푸아송비 ν = 0.25, 밀도 ρ = 7850 kg/m3이다.
해석시 충돌패턴은 Case 1, α = 75°를 반영했고, 여기에 S = D/2, 3D/4 mm를 채택했다.
해석에는 앞에서 정리된 입력조건들 (α = 75°, v = 55 m/s, RI, PDS, 4cyles [1324/2413/3142/4231])을 활용했으며, 충돌패턴 들로서 Case 1과 3을 채택하였다.

이론/모형

3차원 다중숏 경사충돌 해석을 위해 상용 유한 요소해석 프로그램인 ABAQUS 6.7버전⁽²²⁾을 사용했다. 숏볼과 재료간의 충돌시 충돌하부에서 발생하는 대변형을 고려하여 ABAQUS Explicit 코드의 NLGEOM (Nonlinear geometry) 옵션을 해석 모델에 사용하였고, 유한요소망은 3차원 8절점 감차적분 요소 (C3D8R)들로 구성하였다.
7버전⁽²²⁾을 사용했다. 숏볼과 재료간의 충돌시 충돌하부에서 발생하는 대변형을 고려하여 ABAQUS Explicit 코드의 NLGEOM (Nonlinear geometry) 옵션을 해석 모델에 사용하였고, 유한요소망은 3차원 8절점 감차적분 요소 (C3D8R)들로 구성하였다. Fig.

성능/효과

(D/2)²mm²에서의 면적평균해가 표면과 최대 압축잔류응력, 변형 깊이에서 XRD 실험해를 잘 따른다. AISI4340, AISI4140, SPS8 소재에 해석모델을 적용한 결과 면적평균 해석해들이 실험해들과 상당히 일치해서, 제안된 다중경사충돌 해석모델은 피닝현상을 잘 구현할 수 있음을 확인했다.
이때 v는 각 소재에 실제 숏피닝시 적용된 아크하이트 H와 커버리지 C를 고려하여 계산됐다.⁽¹⁷⁾ AISI4340의 XRD 결과는 아크하이트 H = 0.33 mmA, 커버리지 C = 200 %로 가공한 후, 측정된 값이고, AISI4140과 SPS8의 실험해는 각각 H = 0.26 mmA, C = 100 % (25) 와 H = 0.37 mmA, C = 85 %⁽²⁶⁾ 로 가공한 후 측정된 값이다. 통상 실험적 커버리지가 85 ≤ C ≤ 98 %에 해당되면 편리상 완전 커버리지라 가정해 C = 100 %를 적용한다.
결국 투사각이 증가하면 재료표면에서 피닝 압축잔류응력이 증가하며, 특히 충돌패턴 Case 1과 4에서 α ≥ 75° 일 때 실험해에 상당히 접근함을 확인할 수 있었다.
특히 다음절에서 실제 피닝공정에 많이 사용되는 소재들 (AISI 4340, AISI 4140, SPS 8)을 채택하여 해석모델을 구성하고 해석 후 유한요소 해를 실험해와 비교하였다. 소재들 모두에서 XRD 해로의 근접성이 우수함을 확인하였고, 이로부터 본 해석 모델이 다양한 실제 다중경사 숏피닝에도 충분히 적용이 가능하다고 본다.
해석을 통해 본연구에서는 궁극적으로 α = 75°, S = D/2mm, Case 1, (D/2) 2 면적평균 해석모델이 피닝현상을 가장 사실적으로 구현할 수 있다고 판단한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	경사충돌 해석모델에 반영된 재료는 무엇인가?	경사충돌 해석모델에 반영된 재료는 숏피닝 공정이 많이 행해지는 AISI4340 소재이다. 소재를 815 °C에서 담금질 후, 230 °C에서 2시간 동안 뜨임 처리했다.
	숏피닝 가공의 특징은?	숏피닝 가공은, 금속재료 표면에 무수한 숏볼 들을 투사시켜 발생된 충돌에너지가 재료에 전이 되어, 압축잔류응력을 생성시킨다. 이러한 숏피닝은 부품의 내피로 및 내부식성 등을 향상시키는 기술 로서 자동차, 발전설비, 항공우주 산업에서 활발히 활용되고 있다.
	숏피닝 가공은 어디에 활용되고 있는가?	숏피닝 가공은, 금속재료 표면에 무수한 숏볼 들을 투사시켜 발생된 충돌에너지가 재료에 전이 되어, 압축잔류응력을 생성시킨다. 이러한 숏피닝은 부품의 내피로 및 내부식성 등을 향상시키는 기술 로서 자동차, 발전설비, 항공우주 산업에서 활발히 활용되고 있다. 이에 피닝의 압축잔류응력 평가는 내구성 및 신뢰성 평가와 관련되어 그 중요성이 꾸준히 강조되고 있는 만큼 무한한 발전 가능성을 갖는다.

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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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