[논문]대형 원뿔형 알루미늄 실린더의 멘드렐 단조 공정 개발

남지원; 조종래; 이경훈; 이인환

doi:10.5228/kstp.2018.27.5.276

[국내논문] 대형 원뿔형 알루미늄 실린더의 멘드렐 단조 공정 개발
Development of Mandrel Forging Process for Large Conical Aluminum Shell 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.27 no.5, 2018년, pp.276 - 280

남지원 ((주) DNDE 구조파트) , 조종래 (한국해양대학교 기계공학부) , 이경훈 (국방과학연구소) , 이인환 ((주) 피에스엠)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper has developed a forging process for conical shells for making aluminum cylindrical large shells. An incremental forging process was applied to reduce forging loads and die cost. The preform is designed based on the crosssectional area of the final forged shape. Inner diameter of the preform for mandrel forging is constant, and outer diameter is conical so that it matches the cross-sectional area of the product. However, simulation confirmed that the larger diameter is smaller than predicted and the length is larger than predicted because in the initial stage of forging, the large diameter portion first comes into contact with the anvil at the initial stage of forging and stretches in longitudinal direction. So, it has developed a rule to design the preform considering 3-D deformation instead of plane strain deformation at the beginning stage of mandrel forging. The developed mandrel forging process can be applied to more similar products and economic benefits may be obtained.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1 Shape and dimension of conical shell
그림 Fig. 2 Flow stress-strain curves of AL2014[8]
표 Table 1 Thermal properties of AL2014[8]
그림 Fig. 3 Schemetic diagram of mandrel forging process (a) set up, (b) initial stage, (c) mid stage, (d) final deformed shape
그림 Fig. 4 Preform design for mandrel forging process (a) final shape, (b) preform shape
그림 Fig. 5 Simulation result for mandrel forging (a) initial preform (b) mid stage (c) final stage
그림 Fig. 6 Forging loads of mandrel forging process
표 Table 2 Main dimension of conical shell by simulation
그림 Fig. 7 Redesigned preform with compensated volume
그림 Fig. 8 Forging loads of mandrel forging process using modified preform
그림 Fig. 9 Mandrel forging for prototype conical shell
표 Table 3 Main dimension of conical shell by mandrel forging process using modified preform
표 Table 4 Main dimension of conical shell by forged prototype

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 원뿔형 대형 알루미늄 구조품 제작을 위해 알루미늄 열간 단조 공정을 설계하였다. 단조하중 감소와 금형비용을 줄이기 위하여 증분 성형 공정을 적용하였으며, 유한요소해석을 통하여 공정을 검증하고 예비 성형체에 대한 설계를 보완하였다.

제안 방법

본 논문에서는 원뿔형 대형 알루미늄 구조품 제작을 위해 알루미늄 열간 단조 공정을 설계하였다. 단조하중 감소와 금형비용을 줄이기 위하여 증분 성형 공정을 적용하였으며, 유한요소해석을 통하여 공정을 검증하고 예비 성형체에 대한 설계를 보완하였다. 본 공정을 검증하기 위한 유한요소해석과 시제품 제작을 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
선정한 예비성형체 형상을 이용하여 3차원 전체 모델로 단조해석을 수행하였다. 엔빌의 압하속도는 공장 설비의 운용조건을 고려하여 30 mm/s로 하였다.
시뮬레이션으로부터 설계된 예비 성형체와 공정을 바탕으로 시제품을 제작하였다. 시제품 제작시 시뮬레이션에서 가정한 공정보다 소재의 이동 및 셋업, 성형 등에 소요되는 시간이 길어져 공정 중에 2회 재가열하였다.
예비성형체를 재설계하는 방안으로 Fig.7에서 대단부의 직경(D_LM)을 증가시키고, 대단부의 모서리부를 엔빌과 평행(H_F)하게 수정하여 공정 초반에 대단부의 모서리와 엔빌의 국부적인 변형을 적게하였다. 대단부의 면적이 10% 증가하도록 D_LM= 1045 mm로 정하고 전체 체적의 증가량이 기존 예비성형체 대비 8% 증가하도록 L_F=63 mm를 결정하였다.
4(b)는 설계된 예비성형체의 형상이다. 적용되는 멘드렐 정보와 양단 단면 변화를 기준으로 예비성형체를 설계하였다.
이러한 형상은 단면적인 일정한 일반적인 멘드렐 단조와 다르기 때문에 공정설계와 예비형상 결정이 중요하다. 해석과 시제품제작을 통하여 공정의 적합성을 검증하여 원뿔 형상의 실린더 단조공정을 개발하였다.

대상 데이터

2에 나타내었다. 금형의 소재는 SCM440이며 강체로 가정하고 비정상상태(transient) 열전달 만을 고려하여 해석을 진행하였다.
제품의 소재는 AL2014이며 온도해석에 필요한 주요 열물성치를 Table 1에 정리하였고, 온도 및 변형률속도에 따른 소재의 유동응력을 Fig. 2에 나타내었다.

데이터처리

7로 일반 열간 단조의 추천값을 사용하였다. 상기 조건을 상용 유한요소해석 프로그램인 DEFORM 3D V.11 [8]을 사용하여 해석을 수행하였다.

성능/효과

(1) 멘드렐 단조 공정으로 대형 원뿔형 실린더 제품은 제작할 수 있음을 확인하였다.
(2) 원뿔형 실린더의 예비성형체는 평면변형으로 가정하는 직경이 동일한 실린더와 같은 방법으로 설계할 수 없음을 확인하였다.
대단부의 면적이 10% 증가하도록 D_LM= 1045 mm로 정하고 전체 체적의 증가량이 기존 예비성형체 대비 8% 증가하도록 L_F=63 mm를 결정하였다. 공정 초기에 엔빌과 예비성형체가 평행하게 접촉하여 길이방향 변형이 현저히 감소하였고, 이로 인하여 대단부 체적이 직경을 확장하는 방향으로 유동하는 것을 확인하였다. 단조 하중은 Fig.

후속연구

(4) 소량의 고품질 제품을 생산하는 경우 본 공정을 적용한다면 단조설비비 및 금형제작비를 줄이는 동시에 소재 회수율까지 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알루미늄 합금의 장점은 무엇인가?	알루미늄은 다양한 산업분야에서 경량 제품에 사용되는 소재 중 하나이다. 알루미늄 합금은 비중이 낮고, 열전도도 및 전기전도도가 뛰어나며 우수한 비강도를 가지기 때문에 차량, 항공 부품, 발사체 등에 사용되고 있다.[1~5]
	멘드렐 단조는 어떻게 구성되는가?	단면이 일정한 중공 실린더 형상을 제작할 때 자유단조공정중의 하나인 멘드렐 단조(mandrel forging)를 활용한다.[6, 7] 멘드렐 단조는 소재와 엔빌(anvil), 멘드렐, 멘드렐을 지지하는 지지대(support)로 구성된다. 주요 금형은 멘드렐이며 중공 실린더 형상의 소재에 멘드렐을 삽입하고, 엔빌을 눌러 소재의 두께를 감소시킨 뒤 멘드렐로 회전하여 다시 엔빌로 성형하는 것을 반복하여 소재의 직경을 증가시켜 제품을 완성한다.
	멘드렐 단조 공정은 어떻게 제품을 완성하는가?	[6, 7] 멘드렐 단조는 소재와 엔빌(anvil), 멘드렐, 멘드렐을 지지하는 지지대(support)로 구성된다. 주요 금형은 멘드렐이며 중공 실린더 형상의 소재에 멘드렐을 삽입하고, 엔빌을 눌러 소재의 두께를 감소시킨 뒤 멘드렐로 회전하여 다시 엔빌로 성형하는 것을 반복하여 소재의 직경을 증가시켜 제품을 완성한다.

참고문헌 (8)

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DEFORM 3D Version 11.0 User's Manual, 2017.

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