[논문]연성파괴이론에 의한 마그네슘 합금 EL-cover 부품 온간 성형 공정 설계

김상우; 이영선

doi:10.5228/kstp.2014.23.4.238

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, magnesium alloys have been widely used in the automotive, aerospace and electronics industries with the advantages of high specific strength, excellent machinability, high electrical conductivity, and high thermal conductivity. Deep drawn magnesium alloys not only meet the demands environm...

Recently, magnesium alloys have been widely used in the automotive, aerospace and electronics industries with the advantages of high specific strength, excellent machinability, high electrical conductivity, and high thermal conductivity. Deep drawn magnesium alloys not only meet the demands environmentally and the need for lighter products, but also can lead to remarkably improved productivity and more rapid qualification of the product The current study reports on a failure prediction procedure using finite element modeling (FEM) and a ductile fracture criterion and applies this procedure to the design of a deep drawing process. Critical damage values were determined from a series of uniaxial tensile tests and FEM simulations. They were then expressed as a function of strain rate and temperature. Based on the plastic deformation histories obtained from the FEM analyses of the warm drawing process and the critical damage value curves, the initiation time and location of fracture were predicted. The proposed method was applied to the process design for fabrication of a Mg automotive compressor case and verified with experimental results. The final results indicate that a Mg case part 39% lighter than an Al die casting part can be produced without any defects.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 현재 알루미늄 합금의 주조공정으로 제조되고 있는 전동식 스크롤 압축기의 케이스 부품인 EL-cover 부품을 마그네슘 합금 판재성형기술로 대체함으로써 경량화 및 생산성을 향상시키고자 하였다. 현 주조품과 동등이상의 특성을 가지면서, 기존 시스템에 대체 적용이 가능할 수 있도록 주조품 형상을 수정하여 판재 성형이 가능하도록 재설계 하였다.

가설 설정

두께 3mm 의 블랭크는 200,000 개의 4 절점 사면체요소로 모델링하고, 강소성체로 가정하였으며, 공정 중 공기와 접촉면에서의 열 전달을 고려한 열-변형해석을 수행하였다. 또한, 금형은 가열장치에 의해 일정온도가 유지된다는 가정 하에 온도변화가 없는 강체로 가정하였다. Fig.
유한요소 모델은 펀치, 다이, 홀더로 구성하였다. 두께 3mm 의 블랭크는 200,000 개의 4 절점 사면체요소로 모델링하고, 강소성체로 가정하였으며, 공정 중 공기와 접촉면에서의 열 전달을 고려한 열-변형해석을 수행하였다. 또한, 금형은 가열장치에 의해 일정온도가 유지된다는 가정 하에 온도변화가 없는 강체로 가정하였다.

제안 방법

현 주조품과 동등이상의 특성을 가지면서, 기존 시스템에 대체 적용이 가능할 수 있도록 주조품 형상을 수정하여 판재 성형이 가능하도록 재설계 하였다. 또한, 2차원 변형률 공간 내에서 표현 되어지는 기존의 성형한계도의 적용이 제한적인 3mm두께의 AZ31B합금 판재의 딥 드로잉 공정에서의 연성파괴현상을 예측하고, 공정설계에 반영하기 위해 연성파괴이론과 연계한 유한요소해석을 수행하였으며, 동일한 조건하에서의 성형 실험을 통해 결과를 비교함으로써 공정설계를 위한 파단예측방법의 적용 가능성을 검토하였다.
마그네슘은 조밀육방격자(HCP, hexagonal closed packed) 구조로 상온에서는 소성변형이 일어나는 슬립면이 제한되어 있어 열악한 성형성을 보이는 반면 473K 이상의 온도에서는 저면 슬립외에 비저면 슬립이 활성화되어 성형성이 개선되므로, 본 연구에서는 473, 573K 두 온도범위와 0.1, 1.0mm/s의 펀치속도에 대한 해석을 수행하였다. 해석결과, Fig.
본 연구에서는 현재 알루미늄 합금의 주조공정으로 제조되고 있는 전동식 스크롤 압축기의 케이스 부품인 EL-cover 부품을 마그네슘 합금 판재성형기술로 대체함으로써 경량화 및 생산성을 향상시키고자 하였다. 현 주조품과 동등이상의 특성을 가지면서, 기존 시스템에 대체 적용이 가능할 수 있도록 주조품 형상을 수정하여 판재 성형이 가능하도록 재설계 하였다. 또한, 2차원 변형률 공간 내에서 표현 되어지는 기존의 성형한계도의 적용이 제한적인 3mm두께의 AZ31B합금 판재의 딥 드로잉 공정에서의 연성파괴현상을 예측하고, 공정설계에 반영하기 위해 연성파괴이론과 연계한 유한요소해석을 수행하였으며, 동일한 조건하에서의 성형 실험을 통해 결과를 비교함으로써 공정설계를 위한 파단예측방법의 적용 가능성을 검토하였다.

대상 데이터

1과 같이 컨덴서, 라디에이터와 같은 열교환기와 압축기 및 제어시스템으로 구성되어 있다. EL-cover 부품은 압축기 구동을 제어하는 전자 회로판을 보호하기 위한 케이스 부품으로 현재 ADC12 알루미늄 합금의 주조공정으로 제작되고 있다. 본 연구에서는 제품의 경량화 및 생산성 향상을 목적으로 마그네슘 합금 판재성형기술로 대체하기 위하여 Fig.
판재성형용 EL-cover부품에 요구되는 소재의 연신율, 강도, 두께 및 성형성을 고려하여 3mm 두께의 AZ31B(Mg-3 wt.% Al-1 wt.% Zn)합금 판재를 선정하였다. 유한요소해석의 입력 물성으로 활용하기 위한 소성유동응력을 측정하기 위하여 압연방향으로 폭 6mm, 표점거리 15mm인 고온 인장시편을 절취하고 298, 373, 423, 473, 523, 573K의 네 가지 온도범위와 0.

데이터처리

공정조건을 설계하기 위하여 상용유한요소해석 코드인 Deform-3D 를 이용하여 온간 드로잉 공정의 유한요소해석을 수행하였다. Fig.

이론/모형

소성가공공정 중 파단발생을 예측하기 위한 다양한 이론적, 실험적 근거에 의한 연성파괴기준이 제시되어 있으나, 본 연구에서는 동일한 AZ31B 판재의 등온 에릭슨 실험에서의 파단예측에 적용[5]되어 검증된 바 있는 Cockcroft-Latham[6]의 연성파괴모델이 고려되었다. Cockcroft-Latham의 연성파괴모델은 최대 인장변형 에너지밀도에 근거한 모델로 식(1)과 같이 표현된다.

성능/효과

변형률 속도 및 온도 의존성 임계파단상수를 이용한 해석결과, 동일한 조건에서의 실험결과와 잘 일치하는 경향을 보임에 따라 마그네슘 합금의 파단발생예측을 위한 유용한 수단으로 활용 가능할 것으로 판단된다. 또한, 3단계 드로잉 공정을 통해 제조된 마그네슘 합금 EL-cover 부품은 기존 ADC12 다이캐스팅 제품 대비 동등이상의 인장강도 및 연신율을 가지면서도 39% 경량화되었다.

후속연구

본 연구에서는 전동식 압축기용 마그네슘 합금 EL-cover 부품 제조를 위한 기초 연구로 유한요소법과 연계한 연성파괴이론에 의해 3mm 두께의 AZ31 마그네슘 합금 판재의 온간 드로잉 성형시 발생하는 파단현상을 예측하였다. 변형률 속도 및 온도 의존성 임계파단상수를 이용한 해석결과, 동일한 조건에서의 실험결과와 잘 일치하는 경향을 보임에 따라 마그네슘 합금의 파단발생예측을 위한 유용한 수단으로 활용 가능할 것으로 판단된다. 또한, 3단계 드로잉 공정을 통해 제조된 마그네슘 합금 EL-cover 부품은 기존 ADC12 다이캐스팅 제품 대비 동등이상의 인장강도 및 연신율을 가지면서도 39% 경량화되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차용 HVAC시스템은 무엇으로 구성되어 있는가?	자동차용 HVAC(Heat ing, Vent i lat ion, and Air Conditioning) 시스템은 Fig. 1과 같이 컨덴서, 라디에이터와 같은 열교환기와 압축기 및 제어시스템으로 구성되어 있다. EL-cover 부품은 압축기 구동을 제어하는 전자 회로판을 보호하기 위한 케이스 부품으로 현재 ADC12 알루미늄 합금의 주조공정으로 제작되고 있다.
	공조시스템의 고효율화와 구성부품의 경량화가 필요한 이유는 무엇인가?	이와 함께 기존의 내연기관 자동차에 적용되어 왔던 엔진 냉각수의 잠열을 이용한 난방시스템 및 구동엔진의 회전력을 활용한 벨트구동방식의 냉방시스템은 독립적인 전기에너지에 의해 구동되는 방식으로 패러다임이 전환되고 있다. 공조시스템을 위한 부가적인 전기에너지의 사용은 연비효율을 저하시킴으로써, 친환경 에너지원을 이용하는 자동차의 연비를 저해하는 주된 요인이다. 따라서, 공조시스템의 고효율화와 구성부품의 경량화는 전기 소모량의 최소화를 통해 그린 수송시스템의 연비향상과 상용화 시기를 앞당길 수 있는 핵심기술이다.
	EL-cover 부품은 무엇인가?	1과 같이 컨덴서, 라디에이터와 같은 열교환기와 압축기 및 제어시스템으로 구성되어 있다. EL-cover 부품은 압축기 구동을 제어하는 전자 회로판을 보호하기 위한 케이스 부품으로 현재 ADC12 알루미늄 합금의 주조공정으로 제작되고 있다. 본 연구에서는 제품의 경량화 및 생산성 향상을 목적으로 마그네슘 합금 판재성형기술로 대체하기 위하여 Fig.

참고문헌 (6)

S. W. Kim, Y. S. Lee., Y. N. Kwon, J. H. Lee, 2008, Study on Warm Incremental Formability of AZ31 Alloy Sheet, Steel Res. Int., Vol. 79, pp. 691-698.

상세보기
S. Lee, Y. H. Chen, J. Y. Wang, 2002, Isothermal Sheet Formability of Magnesium Alloy AZ31 and AZ61, J. Mater. Process. Technol., Vol. 124, No. 1, pp. 19-24.

상세보기
S. Yoshihara, K. I. Manabe, H. Nishimura, 2005, Effect of Blank Holder Force Control in Deep-drawing Process of Magnesium Alloy Sheet, J. Mater. Process. Technol. Vol. 170, No. 3, pp. 579-585.

상세보기
J. H. Park, D. Kim, D. Y. Seok, T. Park, S. W. Kim, J. H. Kim, Y. S. Lee, K. Chung, 2012, Proc. Kor. Soc. Tech. Plast. Conf., Kor. Soc. Tech. Plast., Korea, pp. 51-52.
S. W. Kim, Y. S. Lee, 2012, Failure Prediction of AZ31 Alloy Sheet in Warm Drawing Process by the FEM Combined with Ductile Fracture Driteria, Trans. Mater. Process., Vol.21, No.4, pp. 258-264.

원문보기 상세보기
M. G. Cockcroft, D. J. Latham, 1968, Ductility and The Workability of Metals, J. Inst. Metals, Vol. 96, pp. 33-39.

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