[논문]고온전단가공을 위한 5052 알루미늄 합금의 고온 변형거동

송신형; 최우천

doi:10.7735/ksmte.2016.25.3.177

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Hot shearing is a method of producing various high-quality planar machine parts by using reduced punch load. In order to predict the results of this process, the deformation behavior of work material at elevated temperatures need to be studied. In this research, a tensile test was carried out for 50...

Hot shearing is a method of producing various high-quality planar machine parts by using reduced punch load. In order to predict the results of this process, the deformation behavior of work material at elevated temperatures need to be studied. In this research, a tensile test was carried out for 5052 aluminum alloy at high temperatures of $240-540^{\circ}C$ and strain rates of 0.001-0.1/s. The results of the tensile tests were studied to predict the deformation of the alloy during the hot shearing process. The results showed that hot shearing within a temperature range of $340-440^{\circ}C$ and a strain rate rage of 0.001-01/s will be the most effective in reducing punch load and increasing the sheared edge in the case of 5052 aluminum alloy.

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문제 정의

본 연구에서는 알루미늄 합금의 고온변형 특성을 연구하였다. 알루미늄 합금은 비강도, 내부식성, 밀도 등이 우수하며 위에 기술한 바와 같이 고온에서의 성형성이 우수하여 많은 종류의 제품 제작에 사용되는 이유로 인해 고온상태에서의 변형거동과 관련하여 다양한 종류의 알루미늄 합금들에 관한 연구가 있다.
Mg계인 5083 알루미늄 합금 역시 고온변형 시험이 이루어졌는데^[4] 이 연구에서는 온도와 변형 속도가 유동응력 및 연신율에 미치는 영향을 연구하였다. 이를 위해 5083 알루미늄 합금을 350℃-520℃의 온도 범위에서 0.
본 연구의 목적은 5052 알루미늄 합금의 고온전단가공에 준하는 온도와 변형률 속도 하에서의 인장변형거동을 관찰하고, 그 결과의 분석을 통해 5052 알루미늄이 실제 고온전단가공에 적용되었을 때의 결과를 예측하고 최종적으로 5052 알루미늄의 고온전단공정의 이상적인 온도, 변형속도의 범위를 구하는 것이다. 본 연구에서는 시험 온도를 540℃, 440℃, 340℃, 240℃로 설정하였으며 각각의 온도별로 인장 속도를 0.

가설 설정

블랭킹, 펀칭 등의 전단가공은 프레스 장비에 놓인 판재를 펀치로 눌러 원하는 형상의 천공을 생성함으로써 다양한 평면형상의 제품을 제조하는 공정이다. 전단가공 상의 가장 큰 관심사는 가공시 펀치하중의 절감과 가공 후의 제품의 단면 품질의 향상이다. 펀치하중의 절감은 공정상의 에너지 사용 절감 및 펀치, 다이와 같은 전단공구의 수명 등과 관계가 있기 때문에 매우 중요하다.
일반적으로 온도의 증가는 유동응력의 감소로 이어진다는 것을 알 수 있다. 변형률 속도가 0.001/s일 때는 온도증가에 따른 유동응력의 감소효과가 온도를 높일수록 떨어진다. 또한 온도를 높일수록 연신율의 증가효과도 떨어지는데 온도가 540℃에 이르면 연신율이 440℃나 340℃일 때보다 오히려 줄어든다.

제안 방법

6061 알루미늄은 자동차 샤시부품 등의 소재로 쓰이는데 6061 알루미늄 합금의 고온변형 특성의 실험에 관한 연구가 있었다^[3]. 이 연구에서는 다양한 변형률 속도, 상온보다 높은 다양한 온도 조건에서 6061 알루미늄의 고온압축 시험을 실시하였으며 그 결과를 단조 시뮬레이션에 적용하여 검증하였다.
1/s에 이르는 변형률 속도를 시험환경으로 설정하였다. 인장시험 후 각각의 온도와 변형률 속도별 응력-변형률 곡선을 구하였으며 각각의 곡선에서 유동응력과 연신율을 비교분석하였다. 또 5052 알루미늄 합금이 인장시험 조건과 비슷한 조건에서 고온전단가공이 되었을 경우를 고려하여, 이 경우 5052 알루미늄 합금의 고온변형 거동이 고온전단가공의 펀치하중과 가공재료의 단면 품질에 미칠 영향을 분석하였다.
인장시험 후 각각의 온도와 변형률 속도별 응력-변형률 곡선을 구하였으며 각각의 곡선에서 유동응력과 연신율을 비교분석하였다. 또 5052 알루미늄 합금이 인장시험 조건과 비슷한 조건에서 고온전단가공이 되었을 경우를 고려하여, 이 경우 5052 알루미늄 합금의 고온변형 거동이 고온전단가공의 펀치하중과 가공재료의 단면 품질에 미칠 영향을 분석하였다. 최종적으로, 5052 알루미늄의 고온전단가공 시에 가장 적절하다고 사료되는 변형률 속도와 온도의 범위를 구하였다.
또 5052 알루미늄 합금이 인장시험 조건과 비슷한 조건에서 고온전단가공이 되었을 경우를 고려하여, 이 경우 5052 알루미늄 합금의 고온변형 거동이 고온전단가공의 펀치하중과 가공재료의 단면 품질에 미칠 영향을 분석하였다. 최종적으로, 5052 알루미늄의 고온전단가공 시에 가장 적절하다고 사료되는 변형률 속도와 온도의 범위를 구하였다.
본 연구의 목적은 5052 알루미늄 합금의 고온전단가공에 준하는 온도와 변형률 속도 하에서의 인장변형거동을 관찰하고, 그 결과의 분석을 통해 5052 알루미늄이 실제 고온전단가공에 적용되었을 때의 결과를 예측하고 최종적으로 5052 알루미늄의 고온전단공정의 이상적인 온도, 변형속도의 범위를 구하는 것이다. 본 연구에서는 시험 온도를 540℃, 440℃, 340℃, 240℃로 설정하였으며 각각의 온도별로 인장 속도를 0.001/s, 0.01/s, 0.1/s로 설정하여 총 12가지의 조건에서 시험을 수행하였다.
본 연구에서는 5052 알루미늄 합금의 고온인장 시험을 수행하여 온도와 변형률 속도의 변화 시 유동응력과 연신율의 변화를 관찰하고 실제 고온전단가공 시 얻을 수 있는 펀치하중과 전단면 크기의 변화를 분석하였다. 시험 결과를 분석한 결과, 5052 알루미늄 합금의 변형률 속도가 0.

대상 데이터

본 연구에서는 선박 제조업 등에 쓰이는 5052 알루미늄 합금에 관한 고온 인장시험이 이루어졌다. 시험을 위해 고온전단가공 상황에 준하는 온도와 변형속도를 고려하여 240℃-540℃의 온도 범위와 0.
5052 알루미늄 합금을 사용하여 ASTM E8 규격에 따라 판상 인장시편을 제작하였다. Fig.

성능/효과

이 연구에서는 온도와 변형 속도가 유동응력 및 연신율에 미치는 영향을 연구하였다. 이를 위해 5083 알루미늄 합금을 350℃-520℃의 온도 범위에서 0.5/s, 1.0/s 그리고 3.0/s의 변형속도로 비틀림 시험하였으며 시험결과 5083 합금의 고온연화기구가 동적 재결정이라는 것을 밝혔다. 또 이 연구에서는 5083 알루미늄의 변경거동을 지수함수의 구성식으로 나타내었다.
동일한 변형률 속도 하에서 증가하는 온도에 따른 유동응력 곡선을 분석하면 실제 5052 알루미늄 합금의 고온전단가공 시에 340℃에서 440℃에 이르는 온도영역 그리고 0.001/s에서 0.1/s에 이르는 변형률 속도 영역에서 온도의 증가에 따른 펀치하중의 감소와 연신율 증가의 효과를 얻을 수 있다고 예상할 수 있다. 참고로, 펀치하중의 감소와 연신율 증가를 가져올 수 있는 이 적정 온도영역은 철강재료의 경우보다는 낮은 것으로 Mori 등[2]의 연구에서는 초고장력강의 국소가열전단공정의 실험에서 약 800℃ 정도의 온도일 때 펀치하중의 감소와 연신율 증가 및 전단면의 증가의 효과를 얻었다.
본 연구에서는 5052 알루미늄 합금의 고온인장 시험을 수행하여 온도와 변형률 속도의 변화 시 유동응력과 연신율의 변화를 관찰하고 실제 고온전단가공 시 얻을 수 있는 펀치하중과 전단면 크기의 변화를 분석하였다. 시험 결과를 분석한 결과, 5052 알루미늄 합금의 변형률 속도가 0.001/s이 되는 펀치의 저속영역에서는 펀치하중 절감과 전단면 증가의 효과가 높은 온도일수록 떨어진다는 것을 볼 수 있었다. 또 온도가 240℃일 때는 펀치하중의 절감과 전단면 증가의 효과가 미미하거나 불규칙한 것으로 나타났다.
또 온도가 240℃일 때는 펀치하중의 절감과 전단면 증가의 효과가 미미하거나 불규칙한 것으로 나타났다. 따라서, 온도가 340℃에서 440℃에 이르며 변형률 속도가 0.001/s에서 0.1/s에 이르는 구간에서 펀치속도를 낮추거나 온도를 증가시키면 펀치하중의 절감과 전단면 증가의 효과를 뚜렷이 얻는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파단면이란 무엇인가?	펀치하중의 절감은 공정상의 에너지 사용 절감 및 펀치, 다이와 같은 전단공구의 수명 등과 관계가 있기 때문에 매우 중요하다. 판재의 전단 변형 시에는 먼저 가공재료에 전단 변형에 의한 단면이 생성되는데 이를 전단면이라 하며, 이후 재료의 파단과 함께 최종적으로 천공이 완성되는데 이 파단으로 생성되는 단면의 부분을 파단면이라 한다. 이렇게 전단가공 후에 제품에 전단면과 파단면이 차례로 생성되는데 최종 제품의 품질은 여러 공정조건을 최적화하여 불규칙한 파단면을 최소화하고 매끄러운 전단면을 극대화하는 정도에 따라 좌우된다.
	5052 알루미늄 합금에 관한 고온 인장시험 결과는?	시편의 온도가 240°C일 때는 변형률 속도 증가에 의한 유동응력의 증가가 미미하다. 또한 변형률 속도 변화에 따른 연신율의 변화도 미미하거나 불규칙하다. 하지만 시편의 온도가 340°C와 440°C일 때는 유동응력과 연신율의 증감이 비교적 뚜렷하며 규칙적이다. 이 온도영역에서는 변형률 속도가 증가함에 따라 유동응력이 뚜렷이 증가하며, 연신율은 감소한다. 이에 따라 실제 5052 알루미늄 합금의 고온전단가공 시에 340°C와 440°C의 온도영역 그리고 0.
	펀치하중의 절감이 중요한 이유는?	전단가공 상의 가장 큰 관심사는 가공시 펀치하중의 절감과 가공 후의 제품의 단면 품질의 향상이다. 펀치하중의 절감은 공정상의 에너지 사용 절감 및 펀치, 다이와 같은 전단공구의 수명 등과 관계가 있기 때문에 매우 중요하다. 판재의 전단 변형 시에는 먼저 가공재료에 전단 변형에 의한 단면이 생성되는데 이를 전단면이라 하며, 이후 재료의 파단과 함께 최종적으로 천공이 완성되는데 이 파단으로 생성되는 단면의 부분을 파단면이라 한다.

참고문헌 (4)

Brokken D., Brekelmans W. A. M., 1998, Numerical Modelling of the Metal Blanking Process, J. Mater. Process. Technol., 83:1 192-199.

상세보기
Mori, K., Maeno, T., 2012, Punching of Ultra-high Strength Steel Sheets using Local Resistance Heating of Shearing Zone, J. Mater. Process. Technol., 212:2 534-540.

상세보기
Eom, J. G., Jang, S. M., 2009, Flow Stress of A16061 at Elevated Temperature and Its Application to Forging Simulation for Verification, Proceedings of the Korean Society for Technology of Plasticity Conference, 474-477.
Ko, B. C., Kim, J. H., 1998, The Effects of Temperature and Strain Rate on Flow Stress and Strain of AA5083 Alloy during High Temperature Deformation, Transactions of materials processing, 7:2 168-176.

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