상온의 인발공정에서 소재는 인발다이를 통과하면서 직경이 줄어들고 길이가 늘어난다. 인발다이와 소재가 접촉한 면에서의 압력과 미끄럼 운동에 의해 소재에는 탄성회복, 인발 다이에는 마찰과 마모가 생긴다. 또한, 소재의 변형 및 마찰열로 인해 소재와 다이의 온도가 상승하며 이로 인해 지정된 다이 내경으로 제품이 가공되기 어려우며 소재의 선경은 지정된 직경 또는 다이 내경과 다르게 된다. 본 논문에서는 다이의 온도분포를 고려하여 소재의 탄성회복, 다이의 탄성변형, 그리고 다이와 소재의 열변형이 인발제품의 선경변화에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 네 가지 요인 중에서 소재의 탄성회복의 영향이 선경변화량의 대부분을 차지함을 확인하였다. 선경변화에 영향을 주는 인자들을 고려하여 지정된 치수와 차이를 주지 않는 초기 다이를 설계하였고, 설계된 초기 다이를 이용하여 지정된 치수의 인발제품을 얻을 수 있었다.
상온의 인발공정에서 소재는 인발다이를 통과하면서 직경이 줄어들고 길이가 늘어난다. 인발다이와 소재가 접촉한 면에서의 압력과 미끄럼 운동에 의해 소재에는 탄성회복, 인발 다이에는 마찰과 마모가 생긴다. 또한, 소재의 변형 및 마찰열로 인해 소재와 다이의 온도가 상승하며 이로 인해 지정된 다이 내경으로 제품이 가공되기 어려우며 소재의 선경은 지정된 직경 또는 다이 내경과 다르게 된다. 본 논문에서는 다이의 온도분포를 고려하여 소재의 탄성회복, 다이의 탄성변형, 그리고 다이와 소재의 열변형이 인발제품의 선경변화에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 네 가지 요인 중에서 소재의 탄성회복의 영향이 선경변화량의 대부분을 차지함을 확인하였다. 선경변화에 영향을 주는 인자들을 고려하여 지정된 치수와 차이를 주지 않는 초기 다이를 설계하였고, 설계된 초기 다이를 이용하여 지정된 치수의 인발제품을 얻을 수 있었다.
During the cold wire-drawing process, the diameter of a wire is reduced and the length of the wire is increased as the wire passes through the die. The pressure and sliding motion at the interface between the wire and die cause elastic recovery of the workpiece and friction and wear on the die. In a...
During the cold wire-drawing process, the diameter of a wire is reduced and the length of the wire is increased as the wire passes through the die. The pressure and sliding motion at the interface between the wire and die cause elastic recovery of the workpiece and friction and wear on the die. In addition, wire deformation and frictional heating raise the temperature of the wire and die, resulting in difficulty in manufacturing the drawn products according to a designated inner diameter of the die, deviating from the designated dimension or the inner diameter of the die. In this study, considering the die temperature distribution, the effects of dimensional changes of the drawn products were analyzed quantitatively; these changes are caused by the elastic deformation of the die, the elastic recovery of the workpiece, and the thermal deformation of both the die and the workpiece. It was confirmed that the elastic recovery of the workpiece influenced these changes the most. The initial dies considering these factors could avoid deviation from the designated dimension, and the desired drawn products were obtained by using the designed initial drawing dies.
During the cold wire-drawing process, the diameter of a wire is reduced and the length of the wire is increased as the wire passes through the die. The pressure and sliding motion at the interface between the wire and die cause elastic recovery of the workpiece and friction and wear on the die. In addition, wire deformation and frictional heating raise the temperature of the wire and die, resulting in difficulty in manufacturing the drawn products according to a designated inner diameter of the die, deviating from the designated dimension or the inner diameter of the die. In this study, considering the die temperature distribution, the effects of dimensional changes of the drawn products were analyzed quantitatively; these changes are caused by the elastic deformation of the die, the elastic recovery of the workpiece, and the thermal deformation of both the die and the workpiece. It was confirmed that the elastic recovery of the workpiece influenced these changes the most. The initial dies considering these factors could avoid deviation from the designated dimension, and the desired drawn products were obtained by using the designed initial drawing dies.
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문제 정의
인발제품의 선경변화를 정확하게 예측하기 위해서는 소재의 탄성회복, 다이의 탄성변형, 그리고 열에 의한 소재와 다이의 변형을 고려 해야 한다. 본 연구에서는 Moon 등(19)이 역공학적으로 결정한 마찰과 열적조건을 바탕으로 소재의 탄성회복, 다이의 탄성변형, 그리고 열에 의한 소재와 다이의 변형을 고려함으로써 인발제품의 선경변화에 대한 정량적인 예측기술을 제안하고자 한다. 유한요소해석을 통한 예측치수와 실제 공정치수를 비교함으로써 접근방법의 타당성을 검증한다.
가설 설정
인발공정에서 소재의 변형양상은 상당한 길이만큼 소재가 인발된 이후에 정상상태에 도달한다고 가정할 수 있다. 본 연구에서는 정상상태가 상당한 길이만큼 인발되어 인발력이 일정하게 된 후 얻어진 것으로 간주한다.
제안 방법
(2) 선경변화에 영향을 미치는 네 가지 인자들에 대한 각각의 조건들을 다르게 하고 그 결과값들을 비교함으로써 정량적으로 분석하였다. 그 결과, 소재의 탄성회복이 선경변화량의 대부분을 차지함을 확인하였다.
선경변화를 구성하는 각각의 영향인자로 인해 변화된 선경만큼 기존 다이내경을 변화시키면 소재는 지정된 직경으로 인발 될 것이다. Fig. 7 에서 보는 바와 같이 경우 1, 경우 2, 그리고 경우 3 은 다이의 탄성변형, 소재와 다이의 열팽창, 그리고 소재의 탄성회복으로 인해 각각 0.008mm, 0.011mm, 그리고 0.009mm 만큼 소재의 선경이 늘어났으므로 변화된 선경만큼 기존 다이내경을 작게 하여 초기 다이를 설계하였다. 또한, 변형경화지수(n)를 달리한 3 가지 경우에도 동일한 방법으로 초기 다이를 설계하고 설계된 초기 다이를 이용하여 선경변화를 계산한 결과, 선경변화는 없었다.
유한요소해석을 통한 예측치수와 실제 공정치수를 비교함으로써 접근방법의 타당성을 검증한다. 그리고 선경변화에 영향을 주는 네 가지 인자들을 고려하여 지정된 치수와 차이를 주지 않는 초기 다이를 설계한다.
다이 형상을 정의하는 변수들 즉, 다이반각( γ ), 그에 대한 길이( β ), 그리고 베어링 길이( L )를 변화시켜가면서 그에 따른 선경변화량을 예측하였다.
변수 γ , β , 그리고 L의 범위는 0~6°의 구간에서 1.5°의 크기로 등간격, 0~4.8mm 구간에서 1.2mm의 크기로 등간격, 그리고 3.645~6.885mm의 크기로 구간에서 0.405mm의 크기로 등간격으로 나누어 설정하였고 각 변수별 설정된 범위에서 계산하였다.
변형경화지수(n)가 선경변화에 미치는 영향을 알아보기 위해서, 변형경화지수(n)만 달리하고 동일한 다이치수(경우 1)와 윤활조건으로 선경변화를 계산하였다. 그 결과 변형경화지수(n)가 0.
본 연구에서는 소재의 탄성회복, 다이의 탄성변형, 그리고 온도상승에 의한 소재와 다이의 열변형이 인발제품의 선경변화에 미치는 영향을 정량적으로 분석하고 인발제품의 유한요소해석을 통한 예측치수와 실제 공정치수를 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
0246kW / m2K 으로 계산하였다. 본 연구에서는 이들 값을 사용하여 열전달과 온도상승을 고려한 선경변화를 계산하였다.
냉간단조의 경우에도 동일한 문제가 발생하므로, Kang 등(20)은 지정된 치수대로 가공되는 냉간단조금형을 설계하는 방법을 제시하였다. 본 연구에서도 유사한 방법을 적용하여, 지정된 치수와 차이를 주지 않는 초기 다이를 설계하였다. 이때 선경변화에 영향을 주는 소재의 탄성회복, 다이의 탄성변형, 그리고 열에 의한 소재와 다이의 변형을 고려하였다.
인발공정에서 소재와 다이는 열변형으로 인해 열수축 또는 열팽창을 일으킨다. 소재와 다이에 열변형이 인발제품의 선경변화에 미치는 영향을 정량적으로 확인하기 위해 소재와 다이의 열팽창 계수를 고려한 모델과 고려하지 않은 모델을 각각 다이에 소재를 통과시켜 선경변화를 계산하였다. 경우 1, 경우 2, 그리고 경우 3의 형상에서 다이의 열팽창계수를 고려한 모델의 선경변화는 열팽창 계수를 고려하지 않은 모델보다 경우 1, 경우 2, 그리고 경우 3은 각각 0.
선경변화가 변형경화지수에 따라 비선형적으로 영향을 받음을 알 수 있다. 앞에서 언급한 방법으로 변형경화지수(n)을 달리한 3가지 경우에 대해 선경변화에 미치는 네 가지 인자들을 정량적으로 분석하였다. 선경변화는 다이의 탄성변형으로 인해 각각 0.
본 연구에서는 Moon 등(19)이 역공학적으로 결정한 마찰과 열적조건을 바탕으로 소재의 탄성회복, 다이의 탄성변형, 그리고 열에 의한 소재와 다이의 변형을 고려함으로써 인발제품의 선경변화에 대한 정량적인 예측기술을 제안하고자 한다. 유한요소해석을 통한 예측치수와 실제 공정치수를 비교함으로써 접근방법의 타당성을 검증한다. 그리고 선경변화에 영향을 주는 네 가지 인자들을 고려하여 지정된 치수와 차이를 주지 않는 초기 다이를 설계한다.
본 연구에서도 유사한 방법을 적용하여, 지정된 치수와 차이를 주지 않는 초기 다이를 설계하였다. 이때 선경변화에 영향을 주는 소재의 탄성회복, 다이의 탄성변형, 그리고 열에 의한 소재와 다이의 변형을 고려하였다. 선경변화를 구성하는 각각의 영향인자로 인해 변화된 선경만큼 기존 다이내경을 변화시키면 소재는 지정된 직경으로 인발 될 것이다.
본 연구에서는 정상상태가 상당한 길이만큼 인발되어 인발력이 일정하게 된 후 얻어진 것으로 간주한다. 인발 공정해석을 위해 DEFORM 2D 를 사용하였고 인발해석시 다이와 케이스는 탄성모델 그리고 소재는 탄소성모델로 설정하였다.
스케일제거공정 후 소재는 인발다이를 통과하면서 직경이 줄어들고 길이는 늘어나며 절단공정를 통해 일정한 길이, 예를 들면 3m씩 잘라진다. 인발제품의 선경을 측정하기 위해, 인발 후 소재를 동일한 길이로 자른 50개의 소재에 대하여 마이크로미터를 이용하여 직경을 측정하였다. 각각의 소재에 일정한 간격으로 3점의 선경을 측정하고 측정된 치수들의 평균값을 계산하여 평균 선경으로 정의하였다.
은 인발된 소재의 치수에 영향을 주는 인자를 분석하기 위해서 두 가지 모델을 이용하였다. 첫 번째 모델은 탄소성방정식으로 구성되었으며, 그 모델을 계산하여 인발된 소재의 치수를 계산하였다. 두 번째 모델은 첫 번째 모델의 결과와 비교 및 입증하기 위해 유한요소해석(FEM, finite element method) 상용프로그램을 이용한 모델이다.
측정과 계산에 의한 선경변화를 비교하기 위해 다이의 형상을 다이반각, 진입각도, 그리고 베어링 길이의 변화에 따라 총 3가지 경우로 구성하였다. 3가지의 경우들은 기하학적인 다이 치수만 달리하고 동일한 강종과 윤활조건을 사용한 것이다.
다이마모를 무시한다면, 선경변화에 영향을 주는 인자들은 다이와 소재의 열팽창과 소재의 탄성 회복 그리고 다이의 탄성변형이다. 탄성변형이 선경변화에 미치는 영향을 정량적으로 확인하기 위해서 소재는 탄소성 그리고 다이는 탄성체와 강체로된 모델로 구분하고 각 모델의 다이에 소재를 통과시켜 선경변화를 계산하였다.
대상 데이터
또한, 인발공정이 멈췄을 때 마모의 가능성을 최소화시키는 역할을 한다. 인발공정에서 사용된 소재, 다이 및 케이스의 강종은 각각 S45CS, WC, 그리고 AISI-H-13이다. Fig.
데이터처리
인발제품의 선경을 측정하기 위해, 인발 후 소재를 동일한 길이로 자른 50개의 소재에 대하여 마이크로미터를 이용하여 직경을 측정하였다. 각각의 소재에 일정한 간격으로 3점의 선경을 측정하고 측정된 치수들의 평균값을 계산하여 평균 선경으로 정의하였다. 선경변화는 소재의 평균선경에서 다이의 내경을 뺀 값으로 정의하였다.
이론/모형
Kampus(1)은 인발된 소재의 치수에 영향을 주는 인자를 분석하기 위해서 두 가지 모델을 이용하였다. 첫 번째 모델은 탄소성방정식으로 구성되었으며, 그 모델을 계산하여 인발된 소재의 치수를 계산하였다.
인발분석은 2 차원축대칭모델로 수행하였다. Fig.
성능/효과
(1) 역공학으로 구한 열적상수를 바탕으로 인발 제품의 선경변화를 예측해 실험값과 비교 및 검증한 결과 타당한 계산결과를 얻을 수 있었다.
(3) 본 연구에서 설정한 변형경화지수(n)의 크기에 따라 선경변화에 영향을 미치는 네 가지 인자들에 대해 분석한 결과, 변형경화지수(n)의 크기에 상관없이 선경변화에 영향을 미치는 각 인자들의 비율은 비슷하였다.
(4) 선경변화에 영향을 주는 인자들을 고려하여 지정된 치수와 차이를 주지 않는 초기 다이를 설계하였고, 설계된 초기 다이를 이용하여 지정된 치수의 인발제품을 얻을 수 있었다.
Table 2에는 각 경우에 대한 선경변화의 측정치, 계산치 등을 비교하여 나타내었다. 그 결과 경우 1, 경우 2, 그리고 경우 3의 측정치와 계산치는 각각 11%, 15%, 그리고 10%의 차이를 보였다.
변형경화지수(n)가 선경변화에 미치는 영향을 알아보기 위해서, 변형경화지수(n)만 달리하고 동일한 다이치수(경우 1)와 윤활조건으로 선경변화를 계산하였다. 그 결과 변형경화지수(n)가 0.20, 0.25, 그리고 0.30일 때 각각의 선경변화는 0.006mm, 0.008mm, 그리고 0.012mm 이다. Fig.
(2) 선경변화에 영향을 미치는 네 가지 인자들에 대한 각각의 조건들을 다르게 하고 그 결과값들을 비교함으로써 정량적으로 분석하였다. 그 결과, 소재의 탄성회복이 선경변화량의 대부분을 차지함을 확인하였다.
그들은 감면율이 클수록 다이의 압력분포가 커지고, 다이각도가 클수록 다이의 압력분포는 작아짐을 확인하였다. 그리고 다이의 온도분포에 대한 마찰계수의 영향은 미미함을 확인하였다. Castro 등(8)은 다이각도가 소재의 기계적인 성질에 미치는 영향을 연구하였다.
그러나 소재의 열변형은 선경변화에 영향을 미치지 않는다. 다이의 탄성변형, 소재의 열변형, 다이의 열변형, 그리고 소재의 탄성회복은 선경변화에 각각 13~17%, 0%, -26~-23%, 그리고 107~111%의 영향을 주는 것으로 파악된다.
그들은 가공된 AISI 1070 고탄소강 소재를 자른 후 그 시편을 특정온도로 가열했을 때와 상온에서 식혔을 때의 소재의 직경과 길이을 측정하였다. 온도의 영향은 소재 직경에 따라 달라졌으며, 직경이 작을수록 온도의 영향이 큼을 확인하였다. Lee 등(3)은 상온단조에서 가중, 제하, 그리고 취출의 단계별로 다이와 소재의 치수를 관찰하였다.
후속연구
이러한 연구과정을 통해 향후, 인발제품의 선경 변화를 고려한 인발공정설계에 활용될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
상온의 인발공정이란?
상온에서의 인발공정은 우수한 마감 표면과 정확한 직경의 원형단면이나, 일정한 단면적을 가지는 긴 제품들을 제조하는 방법이다. 소재는 인발다이를 통과하면서 직경이 줄어들고 인발다이와 소재가 접촉한 면에서의 압력과 미끄럼 운동에 의해 소재에는 탄성회복, 인발다이에는 마찰과 마모가 생긴다.
인발제품의 품질에 대한 관리수준이 높은 경우의 선경변화는 어떻게 되나?
지정된 다이내경과 인발후 제품의 직경간의 차이를 선경변화라고 정의한다. 인발제품의 품질에 대한 관리수준이 높은 경우, 선경변화는 10µms내외의 치수정도로 가공되고 있다. 인발제품의 품질은 선경변화량으로 평가하므로, 선경변화를 정량적으로 파악하지 못하면 인발제품의 품질관리가 어렵다.
Kampus가 인발 치수에 영향을 주는 인자를 분석위해 사용한 두가지 모델은 무엇인가?
Kampus(1)은 인발된 소재의 치수에 영향을 주는 인자를 분석하기 위해서 두 가지 모델을 이용하였다. 첫 번째 모델은 탄소성방정식으로 구성되었으며, 그 모델을 계산하여 인발된 소재의 치수를 계산하였다. 두 번째 모델은 첫 번째 모델의 결과와 비교 및 입증하기 위해 유한요소해석(FEM, finite element method) 상용프로그램을 이용한 모델이다. Akiyama 등(2)은 일련의 다이에 의해 인발된 고탄소강 소재의 선경변화를 관찰하였다.
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