[논문]사각판재 보론강을 사용한 유체냉각공정에서의 열변형 해석

서창희; 권태하; 전효원; 오상균; 박춘달; 최현열; 문원식

doi:10.5228/kstp.2017.26.1.5

사각판재 보론강을 사용한 유체냉각공정에서의 열변형 해석
Thermal Deformation Simulation of Boron Steel Square Sheet in Fluid Cooling Process 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.26 no.1, 2017년, pp.5 - 10

서창희 () , 권태하 (대구기계부품연구원) , 전효원 (대구기계부품연구원) , 오상균 (대구기계부품연구원) , 박춘달 (대구기계부품연구원) , 최현열 ((주)화신정공) , 문원식 ((주)화신정공)

Abstract ▼ AI-Helper

Fluid cooling is one of the manufacturing processes used to control mechanical properties, and is recently used for hot stamping of automobile parts. The formed part at room temperature is heated and then cooled rapidly using various fluids in order to obtain better mechanical properties. The formed part may undergo excessive thermal deformation during rapid cooling. In order to predict the thermal deformation during fluid cooling, a coupled simulation of different fields is needed. In this study, cooling simulation of boron steel square sheet was performed. Material properties for the simulation were calculated from JMatPro, and three convection heat transfer coefficients such as water, oil and air were obtained from the experiments. It was found that the thermal deformation increased when the difference of cooling rate of sheet face increased, and the thermal deformation increased when the thickness of sheet decreased.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

따라서 본 연구에서는 판재형 시편의 열처리 변형에 대한 기초연구로써 수냉, 유냉, 공냉의 냉각방식의 종류에 따른 열전달 계수를 도출하였으며, 이를 활용하여 냉각시 열변형을 해석하였다. 그리고 실험을 통해 열변형을 계측하였으며, 해석 결과의 유효성을 검토하였다.

가설 설정

해석에서 굽힘 변형량을 관찰하기 위해서 Fig. 1과 같이 평면변형 조건으로 가정하고 시편의 측면을 1/2만 모델링 하였다. 본 연구에 사용된 소재는 보론강이며, 해석에 필요한 물성은 이전의 연구[7]와 동일하게 사용하였다.

제안 방법

그리고 Fig. 1에 보여지듯이 시편의 좌측면(left face, LF)과 우측면(right face, RF)의 냉각속도를 다르게 하기 위해서 우측면에는 노즐을 통해 물을 분사하여 접촉시키고 반대쪽 좌측면은 공냉 상태로 두는 실험을 추가로 수행하였다. 이러한 실험에서는 판재면에 서로 다른 속도의 냉각이 발생할 때 변형에 미치는 영향을 확인 할 수 있을 것으로 기대된다.
따라서 본 연구에서는 판재형 시편의 열처리 변형에 대한 기초연구로써 수냉, 유냉, 공냉의 냉각방식의 종류에 따른 열전달 계수를 도출하였으며, 이를 활용하여 냉각시 열변형을 해석하였다. 그리고 실험을 통해 열변형을 계측하였으며, 해석 결과의 유효성을 검토하였다.
해석의 단순화를 위해서 가열해석은 생략하였으며, 시편의 온도를 900℃로 설정하였다. 냉각시 열변형 해석을 수행하였으며, 냉각시에 사용한 대류 열전달 계수는 수냉, 유냉, 공냉시의 실험에서 얻어진 온도 값을 사용하여 역추적하여 계산되었다. 수냉, 유냉, 공냉에서 얻어진 대류 열전달 계수를 각각 WH, OH, AH로 표기하였다.
보론강 판재 시편을 사용하여 유체냉각공정에 대한 열전달과 상변태를 고려한 열변형 해석과 실험을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 저자는 앞서의 연구[7]에서 길이가 길고 원통형 형상을 가지는 시편에 대해서 가열과 급속한 냉각시 축방향의 열변형을 해석하였다. 해석과정에서 열전달 및 상변태를 고려하였으며, 열처리시 발생하는 내부응력도 계산하였다.
해석은 변형, 열전달, 상변태를 고려하여 진행하였다. 판재시편의 두께에 따른 열변형 영향을 검토하기 위해서 시편의 두께를 1.2mm, 3.2mm, 5.2mm의 3가지 조건으로 해석하였다. 해석의 단순화를 위해서 가열해석은 생략하였으며, 시편의 온도를 900℃로 설정하였다.
본 연구에 사용된 소재는 보론강이며, 해석에 필요한 물성은 이전의 연구[7]와 동일하게 사용하였다. 해석은 변형, 열전달, 상변태를 고려하여 진행하였다. 판재시편의 두께에 따른 열변형 영향을 검토하기 위해서 시편의 두께를 1.

대상 데이터

해석과정에서 열전달 및 상변태를 고려하였으며, 열처리시 발생하는 내부응력도 계산하였다. 열역학 기반의 물성계산 프로그램인 JMatPro를 활용하여 실험으로 구하기 어려운 다양한 물성치들을 도출하여 사용하였으며[8,9], 냉각시 열전달에 지배적인 영향을 미치는 물과 소재의 대류 열전달 계수는 실험을 통해서 획득하여 해석에 적용하였다. 연구결과 가열과 냉각시에 발생하는 축방향 변형율과 잔류응력을 해석적으로 거의 정확하게 표현할 수 있음을 확인하였다.
1과 같이 평면변형 조건으로 가정하고 시편의 측면을 1/2만 모델링 하였다. 본 연구에 사용된 소재는 보론강이며, 해석에 필요한 물성은 이전의 연구[7]와 동일하게 사용하였다. 해석은 변형, 열전달, 상변태를 고려하여 진행하였다.

데이터처리

수냉, 유냉, 공냉에서 얻어진 대류 열전달 계수를 각각 WH, OH, AH로 표기하였다. 그리고 해석에서는 실험과 동일하게 좌측면과 우측면의 열전달 계수를 같게 혹은 다르게 설정하여 실험과 비교하였다. 자세한 해석조건은 Table 1에 나타내었다.
본 연구에서 사용된 해석프로그램은 DEFORM-2D이며, 열전달과 상변태를 고려한 탄소성 해석을 수행하였다.

성능/효과

(1) 판재시편이 수직으로 물과 오일에 담그어지는 경우나 수직으로 공냉되는 경우는 양쪽면의 대류 열전달 계수가 동일하여 굽힘 열변형이 발생하지 않음을 알 수 있었다.
(2) 판재의 양쪽면이 비대칭적으로 냉각될 때 굽힘 열변형이 발생하였으며, 실험과 해석에서 유사한 변형량을 나타내었다.
(3) 판재의 양쪽면에서 냉각속도의 차이가 증가할 때 열변형량은 다소 증가하는 경향을 나타내었다.
(4) 판재의 두께가 3.2mm인 경우보다 두께가 증가하는 경우에는 열변형이 크게 증가하지 않았지만 두께가 감소하는 경우에는 열변형량이 급격히 증가함을 알 수 있었다.
(5) JMatPro를 활용한 열물성 계산과 역추적된 대류 열전달 계수의 사용으로 판재의 열처리 변형을 정확히 예측할 수 있었다.
6번 해석의 경우는 공냉과 수냉이 발생하는 경우에 두께가 얇아진 경우이며, 열변형이 급격히 증가하였다. 판재가 얇아 질수록 동일한 냉각조건에서 변형이 증가함을 알 수 있었다.
7번 해석의 경우는 공냉과 수냉이 발생하는 경우에 두께가 두꺼워진 경우이며, 두께의 증가에 비해서 열변형의 증가는 미미하게 나타났다.
열역학 기반의 물성계산 프로그램인 JMatPro를 활용하여 실험으로 구하기 어려운 다양한 물성치들을 도출하여 사용하였으며[8,9], 냉각시 열전달에 지배적인 영향을 미치는 물과 소재의 대류 열전달 계수는 실험을 통해서 획득하여 해석에 적용하였다. 연구결과 가열과 냉각시에 발생하는 축방향 변형율과 잔류응력을 해석적으로 거의 정확하게 표현할 수 있음을 확인하였다. 하지만 이러한 연구는 가장 기본이 되는 1축 상태의 열변형만을 예측한 것으로 실제 판재를 가지고 냉각을 수행할 시 발생되는 다양한 변형을 예측하지는 못하였다.

후속연구

1에 보여지듯이 시편의 좌측면(left face, LF)과 우측면(right face, RF)의 냉각속도를 다르게 하기 위해서 우측면에는 노즐을 통해 물을 분사하여 접촉시키고 반대쪽 좌측면은 공냉 상태로 두는 실험을 추가로 수행하였다. 이러한 실험에서는 판재면에 서로 다른 속도의 냉각이 발생할 때 변형에 미치는 영향을 확인 할 수 있을 것으로 기대된다. 냉각 후 변형된 시편을 정반위에 눕혀두고 하이트게이지를 사용하여 최대 높이를 측정하여 두께를 뺀값으로 굽힘 변형량(bending deformation)을 정의하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열간판재성형이 무엇인가?	열간판재성형(hot stamping)은 경화능이 우수한 소재인 보론강 판재를 사용하여 약 900℃ 내외의 온도로 가열한 뒤 가열된 소재를 급냉시켜서 고강도 특성을 얻는 기술이다[1,2]. 소재를 급냉시키는 방법에 따라서 열간판재성형은 금형냉각방식(die quenching method)과 유체냉각방식(fluid quenching method)으로 크게 나뉘어진다[2~5].
	열간판재성형은 소재를 급냉시키는 방법에 따라 어떻게 나누어지나?	열간판재성형(hot stamping)은 경화능이 우수한 소재인 보론강 판재를 사용하여 약 900℃ 내외의 온도로 가열한 뒤 가열된 소재를 급냉시켜서 고강도 특성을 얻는 기술이다[1,2]. 소재를 급냉시키는 방법에 따라서 열간판재성형은 금형냉각방식(die quenching method)과 유체냉각방식(fluid quenching method)으로 크게 나뉘어진다[2~5]. 금형냉각방식은 일반적인 열간성형방식으로 알려져 있으며, 대부분의 자동차용 차체 부품은 금형냉각방식을 사용해서 제조되고 있다.
	열간판재성형 중 금형냉각방식에 대해 설명하라	소재를 급냉시키는 방법에 따라서 열간판재성형은 금형냉각방식(die quenching method)과 유체냉각방식(fluid quenching method)으로 크게 나뉘어진다[2~5]. 금형냉각방식은 일반적인 열간성형방식으로 알려져 있으며, 대부분의 자동차용 차체 부품은 금형냉각방식을 사용해서 제조되고 있다. 하지만 자동차용 서스펜션 부품과 같이 일부의 부품에서는 유체냉각방식을 사용하기도 한다.

참고문헌 (9)

M. S. Chae, G. D. Lee, Y. S. Suh, K. H. Lee, Y. S. Kim, 2009, Mechanical and Forming Characteristics of High-strength Boron-alloyed Steel with Hot Forming, Trans. Mater. Process., Vol. 18, No. 3, pp. 236-244.

원문보기 상세보기
H. Karbasian, A. E. Tekkaya, 2010, A Review on Hot Stamping, J. Mater. Process. Technol., Vol. 210, No. 15, pp. 2103-2118.

상세보기
M. G. Lee, S. J. Kim, H. N. Han, W. C. Jeong, 2009, Application of Hot Press Forming Process to Manufacture an Automotive Part and Its Finite Analysis Considering Phase Transformation Plasticity, Int. J. Mech. Sci., Vol. 51, No. 11, pp. 888-898.

상세보기
A. D. da Silva, T. A. Pedrosa, J. L. Gonzalez-Mendez, X. Jiang, P. R. Cetlin, T. Altan, 2012, Distortion in Quenching an AISI4140 C-ring-Predictions and Experiments, Mater. Des., Vol. 42, pp. 55-61.

상세보기
J. K. Park, Y. S. Kim, O. S. Seo, M. G. Lee, H. Y. Kim, 2013, Improved Hot-stamping Analysis of Tubular Boron Steel with Direct Measurement of Heat Convection Coefficient, Int. J. Auto. Technol., Vol. 14, No. 5, pp. 717-722.

상세보기
J. H. Son, Y. J. Yum, W. H. Kim, J. B. Hwang, S. U. Kim, S. J. Yoo, H. W. Lee, 2008, Development of High Strength Center-pillar by High Frequency Induction Heating, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 32, No. 6, pp. 533-539.

원문보기 상세보기
C. H. Suh, T. H. Kwon, K. P. Kang, H. Y. Choi, Y. S. Kim, Y. S. Kim, 2014, Thermo-mechanical Simulation of Boron Steel Cylinder during Heating and Rapid Cooling, Trans. Mater. Process., Vol. 23, No. 8, pp. 475-481.

원문보기 상세보기
S. Y. Lee, K. Lee, Y. H. Lim, W. C. Jeong, 2013, Study on Heat Transfer Characteristic in Hot Press Forming Process, Trans. Mater. Process., Vol. 22. No. 2, pp. 101-107.

원문보기 상세보기
K. P. Kang, K. H. Lee, Y. S. Kim, M. W. Ji, Y. S. Suh, 2008, Prediction of Phase Transformation of Boron Steel Sheet during Hot Press Forming using Material Properties Modeler and DEFORM-HT, Trans. Mater. Process., Vol. 17, No. 4. pp. 249-256.

원문보기 상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증