[논문]수치해석을 이용한 탄소강 다단 신선 와이어 표면 잔류응력 예측

이선봉; 이인규; 정명식; 김병민; 이상곤

doi:10.5228/kstp.2017.26.3.162

수치해석을 이용한 탄소강 다단 신선 와이어 표면 잔류응력 예측
Prediction of Surface Residual Stress of Multi-pass Drawn Steel Wire Using Numerical Analysis 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.26 no.3, 2017년, pp.162 - 167

이선봉 (계명대학교 기계자동차공학과) , 이인규 (한국생산기술연구원 극한가공기술그룹) , 정명식 (한국생산기술연구원 극한가공기술그룹) , 김병민 (부산대학교 기계공학부) , 이상곤

Abstract ▼ AI-Helper

The tensile surface residual stress in the multi-pass drawn wire deteriorates the mechanical properties of the wire. Therefore, the evaluation of the residual stress is very important. Especially, the axial residual stress on the wire surface is the highest. Therefore, the objective of this study was to propose an axial surface residual stress prediction model of the multi-pass drawn steel wire. In order to achieve this objective, an elastoplastic finite element (FE) analysis was carried out to investigate the effect of semi-die angle and reduction ratio of the axial surface residual stress. By using the results of the FE analysis, a surface residual stress prediction model was proposed. In order to verify the effectiveness of the prediction model, the predicted residual stress was compared to that of a wire drawing experiment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 탄소강 와이어 다단 신선공정 시 와이어 표면에서 발생하는 축방향 잔류응력예측 모델을 제안하였다. 이를 위해 먼저, 탄소성(elastoplastic) 유한요소해석을 통해 감면율(reductionratio)과 다이 반각(semi-die angle)이 와이어 표면 잔류응력에 미치는 영향을 평가하였다.

가설 설정

1 의 와이어 잔류응력 분포에서 알 수 있듯이, 축방향 잔류응력과 원주방향 잔류응력은 중심부에서 압축(compressive)이지만 표면부로 갈수록 인장(tensile)으로 바뀌며, 표면에서 최대 인장응력이 발생한다. 반경방향 잔류응력은 중심부에서 압축이지만, 표면부의 경우 경계조건(boundary condition)으로 인해 잔류응력은 제로(zero)다.

제안 방법

(1) 탄소성유한요소해석을 통해 AISI1072 다단 신선공정 시 다이 반각와 감면율이 표면부 축방향 잔류응력에 미치는 영향을 평가하였다. 해석결과 잔류응력은 소재의 유동응력 곡선과 유사한 형태를 나타내었다.
(2) 탄-소성 유한요소해석 결과를 토대로 소재 유동응력, 다이 반각, 그리고 감면율로 표현되는 표면잔류응력 예측 모델을 제안하였다.
이를 위해 먼저, 탄소성(elastoplastic) 유한요소해석을 통해 감면율(reductionratio)과 다이 반각(semi-die angle)이 와이어 표면 잔류응력에 미치는 영향을 평가하였다. 또한, 해석결과를 이용하여 감면율과 다이 반각으로 표현되는 표면 잔류응력 예측식을 제안하였으며, 신선 와이어의 잔류응력을 측정하여 그 타당성을 검증하였다.
먼저, 본 연구에서는 탄-소성 유한요소해석을 통해 다단 신선공정 시 와이어 표면에 발생하는 축방향 잔류응력을 평가하였다. 유한요소해석은 상용해석 소프트웨어인 DEFORM-2D로 수행되었다.
본 연구에서는 탄소성 유한요소해석을 이용해 탄소강 다단 신선공정 시 와이어 표면에 발생하는 축방향 잔류응력을 평가하였으며, 다음의 결론을 도출하였다.
신선실험 후 2번째 패스를 통과한 와이어에 대하여 표면부 잔류응력을 평가하였다. 잔류응력은 Fig.
따라서, 본 연구에서는 탄소강 와이어 다단 신선공정 시 와이어 표면에서 발생하는 축방향 잔류응력예측 모델을 제안하였다. 이를 위해 먼저, 탄소성(elastoplastic) 유한요소해석을 통해 감면율(reductionratio)과 다이 반각(semi-die angle)이 와이어 표면 잔류응력에 미치는 영향을 평가하였다. 또한, 해석결과를 이용하여 감면율과 다이 반각으로 표현되는 표면 잔류응력 예측식을 제안하였으며, 신선 와이어의 잔류응력을 측정하여 그 타당성을 검증하였다.

대상 데이터

제안된 예측모델에 대하여 기존 연구결과와 비교하여 그 타당성을 평가하였다[13]. 신선 실험에 적용된 와이어 소재는 AISI 1080 이며, 초기소재 직경은 2.0mm 이다. 2 패스 신선 후 최종 1.
유한요소해석은 상용해석 소프트웨어인 DEFORM-2D로 수행되었다. 적용소재는 AISI 1072 고탄소강 와이어이며, 23패스 공정이 적용되었다. 초기 선재직경과 최종 선재직경은 각각 1.

데이터처리

먼저, 본 연구에서는 탄-소성 유한요소해석을 통해 다단 신선공정 시 와이어 표면에 발생하는 축방향 잔류응력을 평가하였다. 유한요소해석은 상용해석 소프트웨어인 DEFORM-2D로 수행되었다. 적용소재는 AISI 1072 고탄소강 와이어이며, 23패스 공정이 적용되었다.
제안된 예측모델에 대하여 기존 연구결과와 비교하여 그 타당성을 평가하였다[13]. 신선 실험에 적용된 와이어 소재는 AISI 1080 이며, 초기소재 직경은 2.
해석 후 잔류응력은 Fig. 4에서 보듯이 와이어가 다이를 완전히 통과한 후 와이어 표면부 10 포인트에 대한 평균값으로 평가하였다.

이론/모형

신선실험 후 2번째 패스를 통과한 와이어에 대하여 표면부 잔류응력을 평가하였다. 잔류응력은 Fig.11 의 나노인덴터(nano-indenter)를 이용하여 Lee 등이 제안한 나노인덴터이션 테스트(nano-indentation test)를 통해 측정되었다[16].

성능/효과

(3) 제안된 모델을 이용하여 AISI1080 와이어에 대한 2패스 신선 실험 후 잔류응력을 평가한 결과, 예측결과와 측정결과는 각각 1199.4MPa과 1383.8MPa로서로 유사한 결과를 나타내었다.
해석결과 잔류응력은 소재의 유동응력 곡선과 유사한 형태를 나타내었다. 또한, 다이 반각과 감면율 변화에 따른 잔류응력의 크기는 유동응력과 일정한 비율을 나타냄을 알 수 있었다.

후속연구

와이어 내부 혹은 표면에 인장잔류응력 발생 시 와이어 강도저하 등 기계적 성질을 저하시킨다. 따라서, 잔류응력예측이 가능할 경우 와이어의 기계적 성질 평가를 위한 데이터로 활용 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인발공정의 경우 어떠한 현상이 발생하는가?	스틸(steel) 와이어의 경우 교량용 케이블, 타이어 코드(tire cord), 스프링(spring) 등에 폭넓게 활용된다[1~6]. 인발공정의 경우, 다이 통 시 다이와 접촉하는 소재 표면부와 중심부의 변형량 차이로 인한 불균일한 변형, 그리고 발생열 등으로 인해 와이어 표면 및 내부에 잔류응력(residual stress)이 발생하게 된다[7].
	다단 신선(multi-pass drawing)공정이란 무엇인가?	다단 신선(multi-pass drawing)공정은 초기 와이어를 여러 개의 다이(die)를 통과시켜 원하는 직경의 와이어를 제조하는 성형공정이다. 스틸(steel) 와이어의 경우 교량용 케이블, 타이어 코드(tire cord), 스프링(spring) 등에 폭넓게 활용된다[1~6].
	잔류응력예측이 와이어의 기계적 성질 평가를 위한 데이터로 활용 가능한 이유는 무엇인가?	와이어 내부 혹은 표면에 인장잔류응력 발생 시 와이어 강도저하 등 기계적 성질을 저하시킨다. 따라서, 잔류응력예측이 가능할 경우 와이어의 기계적 성질 평가를 위한 데이터로 활용 가능하다.

참고문헌 (16)

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