[논문]난성형 T형상 알루미늄 부품의 성형공정 해석 및 실험

진철규

doi:10.21289/ksic.2017.20.2.141

난성형 T형상 알루미늄 부품의 성형공정 해석 및 실험
Forming Analysis and Experiment of Hard to Forming T Shape Aluminum Part 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.20 no.2, 2017년, pp.141 - 148

Abstract ▼ AI-Helper

A process comprising a hot extrusion process and a warm forging process was designed to form a T-shaped aluminum structural component with a high degree of difficulty by the plastic forming method. A circular cylindrical part was extruded with a hot extrusion process, and then an embossing part was formed with a warm forging process. The formability and the maximum load required for forming were then determined using a forming analysis program. The hot extrusion process was executed at $450^{\circ}C$ under the extrusion speed at 6 mm/s, while the warm forging process was executed at $260^{\circ}C$ under the forging speed at 150 mm/s. For both the processes, a condition by which friction would not be generated between the mold and the material was implemented. The analysis results showed that the load required for hot extrusion was 1,019 tons, while the load required for the warm forging was 534 tons. The T-shaped part was manufactured by using a 1,600 tons capacity press. The graphite lubricant was coated on the mold as well as the material. A forming experiment was performed under the same condition with the analysis condition. The measured values from the load cell were 1,210 tons in the hot extrusion process and 600 tons in the warm forging process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 형상난이도가 높은 T형상의 알루미늄 부품을 소성가공법으로 제조하기 위해서 압출공정과 단조공정을 복합적으로 적용하였다. 기존 현장작업자의 노하우 방식으로 공정을 설계할 경우에는 공정개발 시간이 길어질 뿐만 아니라, 시행착오에 따른 공정비용 및 금형비용 등 여러 부분에서 많은 비용이 초래된다[5-8].

가설 설정

금형과 Blocker은 260°C로 예열되어 있는 조건으로 하였으며, 성형이 지속되는 동안 소재의 온도는 260°C로 유지된다고 가정하였다.
3(탄성)를 적용하였다. 금형은 변형이 없는 강체로 가정하였다. 고온에서는 변형률 속도가 증가함에 따라 유동응력이 급격하게 증가되는 양상을 나타낸다.
원기둥이 압출되는 부분은 변형률이 상당히 크기 때문에 변형률 속도가 최대 10배 높다고 가정하여 변형률 속도 10에 대한 진응력-진변형률 곡선 값을 적용하였다.

제안 방법

기존 현장작업자의 노하우 방식으로 공정을 설계할 경우에는 공정개발 시간이 길어질 뿐만 아니라, 시행착오에 따른 공정비용 및 금형비용 등 여러 부분에서 많은 비용이 초래된다[5-8]. 그러므로 CAE를 이용한 성형해석(강소성 해석)을 수행하여 공정설계를 검증하였으며, 성형에 필요한 하중 값을 도출하였다. 해석결과를 바탕으로 성형실험을 수행하여 T형상의 부품을 제조하였으며, 해석결과와 비교하였다.
성형 후에는 금형으로부터 제품이 잘 빠질 수 있도록 사각형 부분에는 3도의 구배, 원기둥 부분에는 1도의 구배를 주어 설계하였다.
3은 초기시편에 요소의 격자망이 형성된 것을 나타낸다. 세 부분으로 나누었으며, 각 부분마다 요소의 격자 크기를 각기 다르게 설정하였다. 변형이 크게 이루어지는 원기둥의 압출 부분은 요소의 격자 크기를 0.
압출공정 해석을 통하여 성형된 Blocker로부터 요소의 격자망을 형성하였다. Fig.
엠보싱 부분은 금형에 의한 압축력으로 성형되기 때문에 Al6061 소재의 용융점 40%에 달하는 260°C의 온간 단조공정을 적용하였다.
원기둥의 반대편 부분의 엠보싱 성형이 이루어지는 부분은 다른 부분보다 요소를 좀 더 조밀하게 형성하였다. 엠보싱 성형이 이루어지는 부분의 요소의 격자 크기를 1 mm로 설정하였고, 나머지 부분은 요소의 격자 크기를 3 mm로 설정하였다. 형성된 총 요소망의 수는 340,000개 정도이다.
유한요소해석(Finite Elements Method)을 수행하고자 금형과 초기시편에 대하여 유한 요소 격자망을 형성하였다. Fig.
초기시편으로부터 열간 압출공정을 통하여 원기둥부분을 압출하고, 온간 단조공정을 통하여 원기둥 반대편의 엠보싱 부분을 성형하는 순서로 공정을 설계하였다.
해석결과와 다르게 실제 실험에서는 그라파이트 윤활제(마찰계수 0.3)를 금형에 도포하였다.
형상 난이도가 높은 T형상의 알루미늄 단조품을 제조하기 위해서 소성가공 공정설계를 하였다. 공정설계를 검증하고자 성형해석 프로그램을 이용하였다.

대상 데이터

450°C에서 Al6061 합금의 Elastic modulus를 30 GPa를 적용하였고, 프아송비는 0.3(탄성)를 적용하였다.
Blocker는 Al6061 알루미늄 합금의 260°C에 대한 진응력진변형률 데이터를 이용하였다.
그래서 압출공정은 Al6061 소재의 용융점(660°C) 70%에 달하는 450°C의 열간 공정을 적용하였다.
그러므로 260°C에서 Al6061 소재의 변형률 속도 0.1에 대한 진응력과 진변형률 곡선 데이터와 변형률 속도 10에 대한 진응력과 진변형률 곡선의 데이터를 적용하였다.
제품의 윗부분은 대략 사각형태에 엠보싱 모양이며, 높이가 49 mm이다.

데이터처리

형상 난이도가 높은 T형상의 알루미늄 단조품을 제조하기 위해서 소성가공 공정설계를 하였다. 공정설계를 검증하고자 성형해석 프로그램을 이용하였다. 성형해석결과와 실험결과는 상당히 일치하였다.
그러므로 CAE를 이용한 성형해석(강소성 해석)을 수행하여 공정설계를 검증하였으며, 성형에 필요한 하중 값을 도출하였다. 해석결과를 바탕으로 성형실험을 수행하여 T형상의 부품을 제조하였으며, 해석결과와 비교하였다.

이론/모형

압출공정을 통하여 제조된 형상을 단조성형을 위한 초기 시편이라 하여 Blocker로 지칭한다. Blocker의 원기둥 부분의 반대편은 온간 금형단조공법을 적용하여 성형한다. Fig.

성능/효과

1) 초기시편을 450°C의 열간 압출공정을 통하여 Blocker(단조공정 시편)을 성형하였다.
2) Blocker를 260°C의 온간 단조공정을 통하여 엠보싱 부분을 성형함으로써 T형상으로 성형을 완료하였다.
3) 해석은 무마찰 조건이며 실험은 그라파이트 윤활조건을 적용하였기 때문에 최대성형하중 값이 두 공정 모두 약간의 차이가 있다.
해석결과에서 Blocker를 성형하기 위해서는 대략 1,019 tons의 하중이 필요하였으며, 실제결과에서는 1,210 tons 소요되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기계가공 또는 주조공법은 어느경우 일반적으로 사용하나?	형상이 복잡한 금속부품의 경우 일반적으로 기계가공 또는 주조공법으로 제작을 한다. NC 장비, 5축가공기 등의 기계가공법은 정밀한 형상의 제품을 제작할 수는 있지만, 가공시간이 길기 때문에 대량생산을 할 수 없어 제조 단가가 높은 단점이 있다.
	여러가지 조건을 만족해야하는 수송기기에 적용되는 구조용 부품은 주로 무엇이 사용되나?	수송기기에 적용되는 구조용 부품의 경우에는 가볍고, 기계적 성질이 높으며, 제조단가가 낮을 뿐만 아니라 생산속도도 높아야 한다. 그러므로 상대적으로 밀도가 낮고 성형성이 우수한 알루미늄 합금을 이용하여 소성가공법으로 형상 난이도가 높은 구조용 부품을 제조하고 있다 [3,4].
	NC 장비, 5축가공기 등의 기계가공법의 장단점은?	형상이 복잡한 금속부품의 경우 일반적으로 기계가공 또는 주조공법으로 제작을 한다. NC 장비, 5축가공기 등의 기계가공법은 정밀한 형상의 제품을 제작할 수는 있지만, 가공시간이 길기 때문에 대량생산을 할 수 없어 제조 단가가 높은 단점이 있다. 주조공법은 제품의 가격, 형상, 기계적 성질에 따라 금형주조 또는 사형주조 공법 등을 적용하여 복잡한s 형상의 부품을 제조할 수 있다[1,2].

참고문헌 (8)

C. G. Kang, N. H. Kim, and B. M. Kim, "Optimization Techniques of Die Design on Hot Extrusion Process of Metal Matrix Composites," Transactions of Materials Processing, vol.6, no. 4, pp. 346-356, (1997).
C. G. Kang, "Research Trends of Rheology Forming and Their Solutions to Mass Production," Transactions of Materials Processing, vol.11, no. 2, pp. 123-131, (2002).

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M. K. Jo, E. S. An, Park, I. S. Song, H. Y. Kim, D. Y. Kim, Y. H. Moon, and J. H. Kim, "Effect of Process Parameters on Rectangular Cup Impact Extrusion of an AA1070 Aluminum Alloy," Transactions of Materials Processing, vol.24, no. 5, pp. 323-331, (2015).

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S. S. Kang, S. W. Oh, and C. G. Kang, "Forging Process with Al6061 Alloy Rheology Material by Electromagnetic Stirring System," Transactions of Materials Processing, vol.16, no. 6, pp. 443-446, (2007).

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H. B. Shim, "Digital Tryout Technique for the Conventional Stamping Process of Hard-to-Form Parts," Transactions of Materials Processing, vol.22, no. 2, pp. 93-100, (2013).

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J. G. Eom, S. W. Jeong, and M. S. Joun, "Metal Forming Simulation with Emphasis on Metal Flow Lines and its Applications," Transactions of Materials Processing, vol.22, no. 6, pp. 323-327, (2013).

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M. H. Choi, H. T. Jin, and M. S. Joun, "Effect of Flow Stress, Friction, Temperature, and Velocity on Finite Element Predictions of Metal Flow Lines in Forgings," Transactions of Materials Processing, vol.24, no. 4, pp. 227-233, (2015).

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J. H. Kang, H. J. Kim, and H. W. Lee, "Forging process design of cup shaped large forging using finite element method," J. Korean Soc. of Marine Engineering, vol.39, no. 7, pp. 729-734, (2015)

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