[논문]결정립 성장을 고려한 초소성 성형공정의 유한요소해석(I)

김용관; 송재선; 김용환

doi:10.5228/kstp.2012.21.3.151

[국내논문] 결정립 성장을 고려한 초소성 성형공정의 유한요소해석(I)
Finite Element Analysis of Superplastic Forming Processes Considering Grain Growth (I) 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.21 no.3, 2012년, pp.151 - 159

김용관 (충남대학교 기계설계공학과 대학원) , 송재선 (대구기계부품연구원 차세대금형기술혁신센터) , 김용환 (충남대학교 기계설계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Finite element simulations were conducted to investigate the influence of grain growth in the superplastic blow forming process. A microstructure-based constitutive model considering grain growth effects is proposed and used in the simulations. Also, a grain growth rate equation accounting for both static and dynamic grain growth is implemented. The simulations were made using a 2D plane-strain model for constrained blow forming and an axisymmetric model for free bulging. These two models showed different features during the forming stages. However, the forming pressure-time curve and the thickness distribution obtained by both simulations explained well the deformation hardening induced by the grain growth during superplastic forming. This study shows that grain growth is an important factor in determining the material behavior during superplastic deformation.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

공정 해석을 위해서는 미세조직 변화를 고려해야 됨을 알 수 있다. 이에 본 연구에서는 이전에 수행된 티타늄 합금의 초소성 성형공정 연구를 바탕으로 결정립 성장에 따른 공정 변수의 영향을 확인 하고자 한다. 다수의 연구자들은 티타늄 합금의 초소성 변형에서 미세조직 변화에 대한 영향들에 대해 연구하였고, 주로 결정립 성장에 대한 연구가 수행되었다[8~12].

가설 설정

해당 모델은 결정립 성장률 형태를 가지고 있으며, 정적 결정립 성장률(#)과 동적 결정립 성장률(#) 기구는 독립적인 것으로 가정하였고, 전체 결정립 성장률(#)은 두 성장률의 합으로 나타내고 있다.

제안 방법

다수의 연구자들은 티타늄 합금의 초소성 변형에서 미세조직 변화에 대한 영향들에 대해 연구하였고, 주로 결정립 성장에 대한 연구가 수행되었다[8~12]. 이들 연구에서는 티타늄 합금 성형중에 동반되는 결정립 성장이 변형 경화를 유도한다는 실험적 사실을 인용하여 미세조직 변화를 고려한 구성식과 결정립 성장식을 적용한 유한요소해석을 수행하고 그에 따른 성형공정 변수의 영향을 검토하였다[10~12].
따라서 본 논문에서는 초소성 블로우 성형공정 중 하나인 2차원 평면 변형률 모델과 축대칭 모델을 선정하여 기존의 구성 방정식을 사용한 경우, 즉 결정립 성장을 고려하지 않은 경우와 결정립 성장을 고려한 경우로 나누어 유한요소해석을 수행하였으며 예측한 해석결과를 비교하였다.
본 연구에서는 상용 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 초소성 블로우 성형을 유한요소해석 하였다. ABAQUS는 특정한 해석조건을 적용하기 위해 User-Subroutine을 사용할 수 있으며, 특히 초소성 성형 해석의 경우 CREEP Subroutine을 통하여 식 (2)의 구성방정식을 적용할 수 있다.
성형의 최적 변형률 속도를 유지하기 위해 본 해석에 사용된 티타늄합금의 최적 변형률 속도는3×10-4 / s이며, 압력제어는 ABAQUS에 내재된 알고리즘을 사용하여 최대 성형 압력을 3MPa로 제한하였다.
2차원 평면 변형률과 축대칭 모델에 대한 초소성 성형에서 결정립 성장의 영향을 고려한 유한 요소해석을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 구성식 모델은 미세 구조적 측면과 역학적 변수를 조합한 모델이며, 단순화된 1차원 모델은 다음과 같이 주어진다[13].
사용된 재료는 Ti-6Al-4V, 성형온도는 927℃이며, 구성방정식은 #[24]와식 (2)를 각각 사용하였고, 식 (2)에 사용된 재료 상수를 Table 1에 나타내었다.
2와 같이 1/2만을 해석에 사용하였다. 판재의 두께는 0.96mm이며, 2차원 평면 변형률 요소인 CPE4(plane strain element, 4-node bilinear)로 유한 요소 모델링하였고, 금형은 강체로 구성하였다.
해석에 사용된 재료는 Ti-6Al-4V, 성형온도는 900℃이며, 구성방정식은 #[21]와 식 (2)를 각각 사용하였고, 식 (2)에 사용된 재료상수를 Table 1에 나타내었다. 성형의 최적 변형률 속도를 유지하기 위해 본 해석에 사용된 티타늄합금의 최적 변형률 속도는3×10^-4 / s이며, 압력제어는 ABAQUS에 내재된 알고리즘을 사용하여 최대 성형 압력을 3MPa로 제한하였다.
판재는 지름 200mm, 두께 5mm이고, 확산 접합부위는 5mm이며, 최종 형상이 구형이 될 수 있도록 접합 후에 R5mm로 기계가공된 형상을 가진다. 또한 가스주입을 위한 보스는 상부 판재와 접합되어 있고, 해석모델에서 가스주입 홀(hole)은 고려하지 않았다.

이론/모형

그렇지만 Clark과 Alden[15]이 Sn-1%Bi 합금에 대해 제안한 결정립 성장 모델은 Ti-6Al-4V 합금[17]과 Zn-22%Al 합금[20]의 동적 결정립 성장을 설명하는데 적용되어, 결정립 성장의 특징을 잘 예측한 바 있다. 따라서 본 논문에는 Clark과 Alden에 의해 제시된 모델을 결정립 성장 방정식으로 도입하였으며, 방정식은 다음과 같이 주어진다.
구형 압력용기의 성형 해석을 위해 Fig. 7과 같이 2차원 축대칭 요소인 CAX4(axisymmetric element, 4-node bilinear)로 해석 모델을 구성하였다.
Kruglov[24]의 연구에 따라 구형의 정점(apex)에 해당하는 하부 판재의 중심부를 일정 변형률 속도로 제어하는 조건이 부여되었으며, 해석에 사용된 티타늄합금의 최적 변형률 속도는 2×10 -4 /s이고, 압력제어는 ABAQUS에 내재된 알고리즘을 사용하였다.

성능/효과

3에 나타내었다. 결정립 성장을 고려하지 않은 경우에 유효 크립 변형률은 1.053으로 코너부의 시작점에서 최대 값을 갖으며, 결정립 성장을 고려한 경우는 0.943으로 코너부의 시작점부터 끝점까지 최대값을 갖는 것으로 나타났다. 이 결과는 특히 변형량이 많은 코너부에서 그 차이가 큰 것으로 나타났다.
정점에서 두 경우는 약 750초까지 거리에 따라 거의 같은 변형률을 나타내고 있으나, 이후부터는 결정립 성장을 고려한 경우에서 더 높은 변형률을 나타내었다. 확산접합 부근에서는 약 250초까지 정점에 비해 낮은 변형률을 보이다가, 750초부터 1,500초까지 급격한 증가를 보였다. 하지만 최종 성형 후 확산접합 부근에서 두 경우의 변형률 차이는 적은 것으로 나타났다.
결정립 성장을 고려하지 않은 경우에서 예측한 압력 선도는 성형초기를 제외하고 전체적으로 Kruglov의 결과와 유사함을 나타내고 있다. 반면에 결정립 성장을 고려한 경우에서 예측한 압력 선도는 250초 이후부터 결정립 성장을 고려하지 않은 경우와 Kruglov의 결과보다 높은 값을 나타내었으며 1500초 이후에는 약 30%의 압력상승을 보이고 있다. 이러한 변화는 평면 변형률 모델과 유사한 것으로 시간이 지남에 따라 혹은 변형량이 증가함에 따라 결정립 성장이 성형압력에 큰 영향을 미침을 알 수 있다.
(1) 해석 모델에서 결정립 성장을 고려한 경우, 결정립 성장에 의한 변형 경화의 영향으로 최적 변형률 속도 조건을 만족시키기 위해 필요한 성형압력을 증가 시키는 것으로 나타났다.
(2) 결정립 성장을 고려하지 않은 경우와 고려한 경우의 두께분포 예측은 차이를 보였으며, 결정립 성장을 고려한 경우에 실험 결과와 더 유사한 결과를 나타냈다.
(3) 최종 성형후의 유효 크립 변형률과 결정립 크기 분포를 통해 변형과 결정립 성장의 밀접한 관계를 확인 하였다.
지금까지의 결과들로부터 초소성 성형에 있어서 결정립 성장은 변형률, 성형압력 선도, 두께분포 예측에 있어 중요한 인자로 고려해야 됨을 알 수 있었다. 향후 다른 성형조건 및 재료에 대한 적용성을 넓히기 위해서는 인장 시험 및 초소성 성형 시험을 통하여, 결정립 성장을 고려한 구성식의 재료 상수를 결정하고 수치해석으로 예측된 결과와 비교하는 것이 필수적이다.

후속연구

이러한 초소성 성형은 많은 이점에도 불구하고, 좁은 범위에 나타나는 초소성 특성과 그로 인한 낮은 생산성 등으로 산업 적용에 한계를 가지고 있다[1, 2]. 따라서 초소성 성형 기술에 대해서 좀 더 효율적인 성형 공정과 넓은 적용 범위를 가지기 위해서는, 초소성 성형의 다양한 측면에서 설계 및 시뮬레이션 할 수 있는 수치적 연구가 필요하다.
지금까지의 결과들로부터 초소성 성형에 있어서 결정립 성장은 변형률, 성형압력 선도, 두께분포 예측에 있어 중요한 인자로 고려해야 됨을 알 수 있었다. 향후 다른 성형조건 및 재료에 대한 적용성을 넓히기 위해서는 인장 시험 및 초소성 성형 시험을 통하여, 결정립 성장을 고려한 구성식의 재료 상수를 결정하고 수치해석으로 예측된 결과와 비교하는 것이 필수적이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초소성의 장점은?	낮은 응력 하에서도 큰 균일 변형률을 나타내는 초소성(superplastic)은 복잡한 부품을 단공정에 성형할 수 있다는 장점 때문에 항공우주, 자동차, 의료기기 등 다양한 산업분야에 적용되어 왔다. 이러한 초소성 성형은 많은 이점에도 불구하고, 좁은 범위에 나타나는 초소성 특성과 그로 인한 낮은 생산성 등으로 산업 적용에 한계를 가지고 있다[1, 2].
	초소성이란?	낮은 응력 하에서도 큰 균일 변형률을 나타내는 초소성(superplastic)은 복잡한 부품을 단공정에 성형할 수 있다는 장점 때문에 항공우주, 자동차, 의료기기 등 다양한 산업분야에 적용되어 왔다. 이러한 초소성 성형은 많은 이점에도 불구하고, 좁은 범위에 나타나는 초소성 특성과 그로 인한 낮은 생산성 등으로 산업 적용에 한계를 가지고 있다[1, 2].
	superplastic의 단점은?	낮은 응력 하에서도 큰 균일 변형률을 나타내는 초소성(superplastic)은 복잡한 부품을 단공정에 성형할 수 있다는 장점 때문에 항공우주, 자동차, 의료기기 등 다양한 산업분야에 적용되어 왔다. 이러한 초소성 성형은 많은 이점에도 불구하고, 좁은 범위에 나타나는 초소성 특성과 그로 인한 낮은 생산성 등으로 산업 적용에 한계를 가지고 있다[1, 2]. 따라서 초소성 성형 기술에 대해서 좀 더 효율적인 성형 공정과 넓은 적용 범위를 가지기 위해서는, 초소성 성형의 다양한 측면에서 설계 및 시뮬레이션 할 수 있는 수치적 연구가 필요하다.

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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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